JPH11297264A

JPH11297264A - 形状観察装置

Info

Publication number: JPH11297264A
Application number: JP10095709A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Akama; 善昭赤間; Kenji Okuda; 健児奥田; Masakazu Hayashi; 正和林; Takayoshi Fujii; 孝佳藤井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-04-08
Filing date: 1998-04-08
Publication date: 1999-10-29

Abstract

(57)【要約】【課題】立体像を観察できる形状観察装置を提供するこ
と。【解決手段】電子線を試料Ｗに照射し、試料Ｗからの反
射電子Ｅを検出する形状観察装置１０において、試料Ｗ
に電子線を照射する電子銃１１と、試料Ｗからの電子を
吸収し、複数の範囲に分割して電流を取出す電極部２６
と、この電極部２６における各範囲毎の出力電流に基づ
いて試料Ｗの立体画像を形成する画像処理部３０とを備
えるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子線を利用した
電子顕微鏡である形状観察装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より電子線を利用した形状観察装置
として、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が代表的に扱われ
ている。この走査型電子顕微鏡は、透過型電子顕微鏡
（ＴＥＭ）のように、透過電子を用いて材料の内部組織
を、高い分解能で観察することはできないが、試料の表
面構造を２次元的に、かつ、細かいところまで観察でき
る特性を備えている。

【０００３】このような走査型電子顕微鏡は、以下のよ
うな構成からなっている。すなわち、電子源である電子
銃から出た熱電子は加速レンズ（コンデンサレンズとも
呼ばれる）で１〜３０ｋＶ程度の高電圧で加速され、４
０μｍ程度のスポットとなるように収束される。この電
子線は、偏向コイルで一旦焦点を結ぶように偏向され、
さらに対物レンズを通って試料の表面上に再び焦点を結
ぶ。このときのスポット径は、数ｎｍとなる。

【０００４】試料の表面に入射した電子線は、この試料
を構成する物質中に存在している電子にエネルギを供与
することとなり、試料から電子が外に飛び出す。このよ
うにして飛び出した電子が二次電子であり、その発生領
域は入射してきた電子線の拡散範囲とほぽ同じ広がりを
持つ。そして、試料内部から脱出する二次電子のエネル
ギは５０ｅＶ以下とごく低く、表面から１０ｎｍ以内で
発生した二次電子が数ｋＶの電解で二次電子検出器に引
き寄せられ、検出される。その発生領域は入射してきた
電子線の拡散範囲とほぽ同じ広がりを持つ。

【０００５】一方、同様にして飛び出す電子に反射電子
がある。その発生領域は入射してきた電子線のスポット
とほぽ同じ大きさを持つ。そして、試料内部から脱出す
る反射電子のエネルギは入射してきた電子線のエネルギ
に近く、二次電子よりもわずかに深いところからも発生
し、反射電子検出器で検出される。前記二次電子検出器
は、二次電子の量を検出し、その検出量信号がディスプ
レイに表示される。すなわち、被観察対象の表面から１
０ｎｍ以内で発生した二次電子だけが、試料から放出さ
れて結像としての働きをなす。

【０００６】同様に、反射電子検出器は、反射電子の量
を検出し、その検出量信号がディスプレイに表示され
る。すなわち、被観察対象の表面から発生した反射電子
だけが、試料から放出されて結像としての働きをなす。
反射電子の向かう方向は、試料への入射電子線の入射角
に敏感に依存するため、その検出信号は試料の凹凸を強
く反映する。また、反射電子検出信号は、試料の密度や
原子番号依存性が強いため、試料の組成情報を得ること
ができる。

【０００７】このように、電子線を利用した走査型電子
顕微鏡である形状観察装置は、電子線を小さく絞れる利
点を備えており、高分解能化が得られる。

【０００８】一方、このような半導体ウエハ上の形状観
察を行う際には、半導体ウエハのオリフラ位置を合わせ
ることで半導体ウエハの位置と角度を決定していた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前記した従来の走査型
電子顕微鏡は、次のような問題があった。すなわち、従
来の走査型電子顕微鏡は、二次電子を検出して表面の二
次元形状を観察するものか、反射電子を検出して試料の
凹凸や表面の組成像を導くかいずれかである。反射電子
検出器の下面にメッシュ電極を設け、二次電子も検出す
るタイプもあるが、二次元形状が観察できる機能が付加
されただけであり、立体像を観察することはできない。

【００１０】また、半導体ウエハの加エパターンの微小
化が進み、半導体ウエハのオリフラ位置合わせだけで
は、十分な位置精度が得られない等の問題がでてきた。
例えばウエハ上のパターン寸法を求める際、電子線の走
査方向とパターンの角度が垂直でないと、正しい寸法を
図ることができない。

【００１１】例えば、電子線の走査方向とウェハパター
ンの角度を求め、回転ステージ等の機械的手段でウエハ
の固定角度を補正する場合、形状観察の精度は回転ステ
ージ等の機械精度に左右される等の問題があった。

【００１２】走査後に、画像処理を行って補正を行う方
法もあったが、テーパ状のパターンの場合には、誤差が
生じる等の問題があったり、画像処理に時間がかかる等
の問題があった。

【００１３】一方、高精度の観察を行うために、焦点合
わせ、非点収差補正、チャージアップの防止、コントラ
スト調整等の様々な画像補正を行う必要がある。しかし
ながら、人手による焦点合わせを行うと、熟練度により
焦点合わせの精度にばらつきが出る等の問題があった。
人手による非点収差補正では、熟練度により非点収差補
正の精度にばらつきが出る場合や、走査方向により収差
に誤差が出る等の問題があった。また、絶縁膜表面に電
子が溜まるチャージアップを人手により調整するのは困
難であった。さらに、人手による調整では、画像のコン
トラストを上げるのが困難であった。

【００１４】そこで本発明は、立体像を観察できる形状
観察装置を提供することを目的としている。また、本発
明は組成画像を観察できる形状観察装置を提供すること
を目的としている。さらに、本発明は、電子線の走査方
向と半導体ウエハの向きとの位置合わせ等を正確に行う
ことで、形状観察の精度を高めることができる形状観察
装置を提供することを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決し目的を
達成するために、請求項１に記載された発明は、電子線
を試料に照射し、前記試料からの反射電子を検出する形
状観察装置において、前記試料に電子線を照射する電子
線照射部と、前記試料からの電子を吸収し、複数の範囲
に分割して電流を取出す検出電極と、この検出電極にお
ける前記各範囲毎の出力電流に基づいて前記試料の立体
画像を形成する演算部とを備えるようにした。

【００１６】請求項２に記載された発明は、請求項１に
記載された発明において、前記検出電極は、同心円状に
配置された複数の環状電極を備えるようにした。

【００１７】請求項３に記載された発明は、請求項１に
記載された発明において、前記検出電極は、碁盤の目状
に配置された複数の電極を備えるようにした。

【００１８】請求項４に記載された発明は、請求項１に
記載された発明において、前記検出電極と前記試料との
間には、前記試料からの電子を増幅するマイクロチャン
ネルプレートが設けられていることとした。

【００１９】請求項５に記載された発明は、電子線を試
料に照射し、前記試料からの反射電子を検出する形状観
察装置において、前記試料に電子線を照射する電子線照
射部と、前記試料からの電子を吸収し、電流を取り出す
検出電極と、この検出電極と前記試料との間に配置され
た電極と、この電極に正の電圧をＯＶから所定の電圧ま
で上げる電圧制御部と、前記電圧と前記検出電極の出力
電流との関係に基づいて前記試料の組成画像を形成する
演算部とを備えるようにした。

【００２０】請求項６に記載された発明は、電子線を試
料に照射し、前記試料からの反射電子を検出する形状観
察装置において、前記試料に電子線を照射する電子線照
射部と、前記試料からの電子を吸収し、電流を取り出す
検出電極と、この検出電極と前記試料との間に配置され
た電極と、この電極に負の電圧を与える電圧制御部と、
前記検出電極の出力電流に基づいて前記試料の組成画像
を形成する演算部とを備えるようにした。

【００２１】請求項７に記載された発明は、電子線を試
料に照射し、前記試料からの反射電子を検出する形状観
察装置において、前記試料に電子線を照射する電子線照
射部と、前記試料からの電子を吸収し、電流を取り出す
検出電極と、この検出電極と前記試料との間に配置され
た電極と、この電極に正の電圧を与える電圧制御部と、
前記検出電極の出力電流に基づいて前記試料の組成画像
を形成する演算部とを備えるようにした。

【００２２】請求項８に記載された発明は、電子線を放
出する電子銃と、この電子銃から放出された電子を加速
する加速レンズと、加速された電子線を偏向する偏向レ
ンズと、偏向された電子線を試料の表面に収束する対物
レンズと、前記試料から生じた二次電子を検出する二次
電子検出器と、二次電子検出器からの信号を演算処理す
る演算処理部とを具備し、前記演算処理装置は、試料と
走査方向との角度を算出し、前記偏向レンズは、前記試
料に対して任意の方向に電子線を走査することとした。

【００２３】請求項９に記載された発明は、電子線を放
出する電子銃と、この電子銃から放出された電子を加速
する加速レンズと、加速された電子線を偏向する偏向レ
ンズと、偏向された電子線を試料の表面に収束する対物
レンズと、前記試料から生じた二次電子を検出する二次
電子検出器と、二次電子検出器からの信号を演算処理す
る演算処理部とを具備し、前記演算処理部は、前記試料
の濃度変化率を算出する濃度変化率算出部と、この濃度
変化率算出部において算出された前記濃度変化率に基づ
いて電子銃およぴ加速レンズ、偏向レンズ、対物レンズ
を濃度変化率が最大となるように制御する濃度変化率制
御部とを備えるようにした。

【００２４】請求項１０に記載された発明は、電子線を
放出する電子銃と、この電子銃から放出された電子を加
速する加速レンズと、加速された電子線を偏向する偏向
レンズと、偏向された電子線を試料の表面に収束する対
物レンズと、前記試料から生じた二次電子を検出する二
次電子検出器と、二次電子検出器からの信号を演算処理
する演算処理部とを具備し、前記演算処理部は、前記試
料の収差を算出する収差算出部と、この収差算出部にお
いて算出された前記収差に基づいて、収差が最小となる
ように前記偏向レンズを制御する収差制御部とを備える
ようにした。

【００２５】請求項１１に記載された発明は、電子線を
放出する電子銃と、この電子銃から放出された電子を加
速する加速レンズと、加速された電子線を偏向する偏向
レンズと、偏向された電子線を試料の表面に収束する対
物レンズと、前記試料から生じた二次電子を検出する二
次電子検出器と、二次電子検出器からの信号を演算処理
する演算処理部とを具備し、前記演算処理部は、前記試
料のチャージアップを検出するチャージアップ検出部
と、このチャージアップ検出部において検出された前記
チャージアップに基づいて、前記加速レンズにおける加
速エネルギーを制御するチャージアップ制御部とを備え
るようにした。

【００２６】請求項１２に記載された発明は、電子線を
放出する電子銃と、この電子銃から放出された電子を加
速する加速レンズと、加速された電子線を偏向する偏向
レンズと、偏向された電子線を試料の表面に収束する対
物レンズと、前記試料から生じた二次電子を検出する二
次電子検出器と、二次電子検出器からの信号を演算処理
する演算処理部とを具備し、前記演算処理部は、試料の
濃度分布率を算出する濃度分布率算出部と、この濃度分
布率算出部において算出された前記濃度度分布率に基づ
いて所定範囲内となるように電子銃およぴ加速レンズ、
偏向レンズ、対物レンズを調整してコントラストを向上
させる濃度分布率制御部とを備えるようにした。

【００２７】上記手段を講じた結果、次のような作用が
生じる。すなわち、請求項１に記載された発明では、試
料から反射された電子は試料の表面の傾きに応じた反射
方向を有しているので、検出電極において複数の範囲に
分割して電流を取出すことにより、試料の立体画像を形
成することが可能となる。

【００２８】請求項２に記載された発明では、検出電極
は、同心円状に配置された複数の環状電極を備えている
ので、試料表面の傾きを検出できる。

【００２９】請求項３に記載された発明では、検出電極
は、碁盤の目状に配置された複数の電極を備えているの
で、試料表面の傾きを検出できる。

【００３０】請求項４に記載された発明では、検出電極
と試料との間には、試料からの電子を増幅するマイクロ
チャンネルプレートが設けられているので、弱い電子を
増幅することができる。

【００３１】請求項５に記載された発明では、試料から
の電子を吸収し、電流を取り出す検出電極と、この検出
電極と試料との間に配置された電極に正の電圧をＯＶか
ら所定の電圧まで上げ、検出電極において試料からの電
子を吸収し、電流を取出すことにより、電圧と検出電極
の出力電流との関係に基づいて試料の組成画像を形成す
ることができる。

【００３２】請求項６に記載された発明では、試料から
の電子を吸収し、電流を取り出す検出電極と、この検出
電極と試料との間に配置された電極に負の電圧を与え、
検出電極において試料からの電子を吸収し、電流を取出
すことにより、検出電極の出力電流との関係に基づいて
試料の組成画像を形成することができる。

【００３３】請求項７に記載された発明では、試料から
の電子を吸収し、電流を取り出す検出電極と、この検出
電極と試料との間に配置された電極に正の電圧を与え、
検出電極において試料からの電子を吸収し、電流を取出
すことにより、検出電極の出力電流との関係に基づいて
試料の組成画像を形成することができる。

【００３４】請求項８に記載された発明では、試料と走
査方向との角度ずれを算出し、この角度ずれに基づいて
偏向レンズをを調整することで補正するようにしている
ので、機械的誤差を生ずることなく高精度に走査方向を
修正することができる。

【００３５】請求項９に記載された発明では、濃度変化
率に基づいて濃度変化率が最大になるように電子銃およ
ぴ加速レンズ、偏向レンズ、対物レンズを濃度変化率が
最大となるように制御することで焦点合わせを正確に行
うことができる。

【００３６】請求項１０に記載された発明では、試料の
収差に基づいて収差が最小となるように偏向レンズを制
御することで収差を最小とすることができる。

【００３７】請求項１１に記載された発明では、試料の
チャージアップを検出することにより、加速レンズにお
ける加速エネルギーを制御することで、チャージアップ
を防止することができる。

【００３８】請求項１２に記載された発明では、濃度度
分布率が所定範囲内となるように電子銃に流れる電流量
あるいはレンズ全体の電圧を調整することでコントラス
トを向上させることができる。

【００３９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の第１の実施の形態
に係る形状観察装置１０の要部を示す縦断面図である。
また、図２は検出部２０の要部を拡大して示す縦断面
図、図３の（ａ），（ｂ）は第１基板２１の上面、下面
を示す平面図、図４の（ａ），（ｂ）は第２基板２２の
上面、下面を示す平面図、図５の（ａ），（ｂ）は第３
基板２３の上面、下面を示す平面図、図６の（ａ），
（ｂ）は第４基板２４の上面、下面を示す平面図であ
る。

【００４０】形状観察装置１０は、試料Ｗに対向配置さ
れた電子線を照射する電子銃（電子線照射部）１１と、
この電子銃１１の図１中下端に取り付けられた検出器２
０と、画像処理部３０を備えている。

【００４１】検出器２０は、電子銃１１側から取り付け
られた第１基板２１〜第４基板２４と、マイクロチャン
ネルプレート２５とを備えている。

【００４２】第１基板２１は、板状の基板本体２１ａか
らなり、その中央部には開口部２１ｂが形成されてい
る。なお、図中２１ｃは上面、２１ｄは下面を示してい
る。また、その上面２１ｃには、後述する薄膜電極２７
ａ〜２７ｄからの電流をそれぞれ独立に電流／電圧変換
し、電圧増幅して出力する増幅回路２８ａ〜２８ｄが設
けられている。下面２１ｄには、マイクロチャンネルプ
レート２５の出力側から放出される電子群を吸収するた
めの電極部２６が形成されている。電極部２６は、４つ
の範囲の薄膜電極２７ａ〜２７ｄから形成されており、
それぞれ上述した増幅回路２８ａ〜２８ｄに接続されて
いる。

【００４３】第２基板２２は、板状の基板本体２２ａか
らなり、その中央部にはマイクロチャンネルプレート外
周部よりは小さい径の開口部２２ｂが形成されている。
なお、図中２２ｃは上面、２２ｄは下面を示している。

【００４４】下面２２ｄにはマイクロチャンネルプレー
トの出力側（上面）に任意の電圧を与えるための環状の
薄膜電極２２ｅが形成されている。この薄膜電極２２ｅ
は、マイクロチャンネルプレート２５の上面２５ｃの外
周部（電子感知領域外）と接触し、マイクロチャンネル
プレート２５の上面２５ｃ、すなわちマイクロチャンネ
ルプレート出力側に任意の電圧（例えば１ｋＶ）を与え
る。

【００４５】第３基板２３は、マイクロチャンネルプレ
ートと同じ厚さを有する板状の基板本体２３ａからな
り、その中央部にはマイクロチャンネルプレート２５全
体外径よりも大きい開口部２３ｂが形成され、マイクロ
チャンネルプレート２５が収容されている。なお、図中
２３ｃは上面、２３ｄは下面を示している。なお、この
第３基板２３は、マイクロチャンネルプレート２５の固
定用治具の役割と、第２基板２２と第４基板２４とを電
気的に絶縁する機能を有している。

【００４６】第４基板２４は、板状の基板本体２４ａか
らなり、その中央部には開口部２４ｂが形成されてい
る。なお、図中２４ｃは上面、２４ｄは下面を示してい
る。

【００４７】上面２４ｃにはマイクロチャンネルプレー
ト２５の入力側（下面）に任意の電圧を与えるための環
状の薄膜電極２４ｄが形成されている。この薄膜電極２
４ｄは、マイクロチャンネルプレート２５の下面２５ｄ
外周部（電子感知領域外）と接触し、マイクロチャンネ
ルプレート２５の下面２５ｄ、すなわちマイクロチャン
ネルプレート入力側に任意の電圧（例えば２００Ｖ）を
与える。

【００４８】下面２４ｄには薄膜電極２４ｅが形成され
ている。薄膜電極２４ｅは、対物レンズ下面、あるいは
試料Ｗの電位と同じ電圧が印加されるが、通常はグラン
ドレペルとなっている。

【００４９】マイクロチャンネルプレート２５は、プレ
ート本体２５ａからなり、その中央部には開口部２５ｂ
が形成されている。図中２５ｃは上面、２５ｄは下面を
示している。なお、上面２５ｃ側及び下面２５ｄ側には
それぞれ薄膜電極２２ｅ，薄膜電極２４ｂと接続される
電極（不図示）が形成されている。

【００５０】プレート本体２５ａは、図７の（ａ）に示
すように２枚のプレート２９ａ，２９ｂから構成されて
いる。プレート２９ａは、図７の（ｂ）に示すように、
上面側２９ｃと下面側２９ｄとに電圧をかけることによ
り、開口部２９ｅ内に入力した反射電子ｅ^-を増幅する
機能を有している。なお、上面側２９ｃに印加される電
圧Ｖａは、下面側２９ｄに印加される電圧Ｖｂより十分
大きいことが必要である。また、電圧Ｖａと電圧Ｖｂと
を適当に変化させることにより、マイクロチャンネルプ
レート２５の増幅率を調整することができる。

【００５１】画像処理部３０は、増幅回路２８ａ〜２８
ｄからの個々の信号を任意の時間間隔で一つずつ選択す
るセレクタ（選択回路）３１と、セレクタ３１からの出
力を増幅する中間アンプ３２と、この中間アンプ３２か
らの出力を適度な電圧に変換し、かつ適度な周期の信号
として出力する信号発生器３３と、信号発生器３３から
の出力信号をＡ／Ｄ変換してコンピュータに出力するＡ
／Ｄ変換ボード３４と、Ａ／Ｄ変換ボード３４からの出
力信号を受け取り、処理するコンピュータ（演算部）３
５と、画像を表示するディスプレイ３６とを備えてい
る。コンピュータ３５では、個々の信号を処理して試料
Ｗ表面の立体像及び組成像を導く機能を有している。

【００５２】このように構成された形状観察装置１０で
は、次のようにして試料Ｗの立体像及び組成像の観察を
行う。なお、予め薄膜電極２４ｅに負の電圧を印加す
る。

【００５３】このような状態で、電子銃１１を作動さ
せ、電子線を試料Ｗに衝突させる。これにより、試料Ｗ
から反射電子Ｅ及び二次電子Ｇが放出される。エネルギ
ーの小さい二次電子Ｇは、図９に示すように薄膜電極２
４ｅにより反発され、検出器２０内部には入らない。一
方、エネルギーの大きい反射電子Ｅは、薄膜電極２４ｅ
に反発されることなく、検出器２０内部に入射する。マ
イクロチャンネルプレート２５に到達した反射電子Ｅ
は、増幅され、さらに薄膜電極２７ａ〜２７ｄのいずれ
かに到達する。薄膜電極２７ａ〜２７ｄのいずれに吸収
されたかたによって反射電子Ｅの放射方向が判明する。
反射電子Ｅの放射方向は、試料Ｗへの入射電子線の入射
角に敏感に依存するため、試料Ｗの形状に応じて定ま
る。

【００５４】反射電子Ｅを吸収した薄膜電極２７ａ〜２
７ｄはその量に応じた電流を出力し、増幅回路２８ａ〜
２８ｄでは、入力した電流／電圧変換、増幅した後、画
像処理部３０に出力する。

【００５５】画像処理部３０では、入力した信号をセレ
クタ３１により所定周期で選択し、出力する。中間アン
プ３２では、入力した信号を増幅する。信号発生器３３
では、入力した信号をＡ／Ｄ変換ボード３４用の信号に
変換して出力する。この信号はＡ／Ｄ変換ボード３４を
介してコンピュータ３５に入力される。コンピュータ３
５では、入力された信号に基づいて解析を行う。上述し
たように入力信号は４つの薄膜電極２７ａ〜２７ｄから
の信号であるため、立体像を形成し、ディスプレイ３６
上に表示する。

【００５６】次に、試料Ｗの組成像を観察する方法につ
いて説明する。薄膜電極２４ｄに対し、正の電圧を０Ｖ
から任意の電圧まで上げながら、各々の電圧に対する信
号変化を解析することで、試料Ｗ表面の各位置における
分析を行うことが可能である。

【００５７】また、薄膜電極２４ｄに対し、任意の正又
は負の電圧を与え、反射電子Ｅのみを信号成分として解
析することで、試料Ｗ表面の組成像を得ることができ
る。すなわち、図１０に示すように原子番号の小さい物
質αよりも原子番号が大きい物質βの方が輝度が高くな
るという原理を利用して物質を同定する。

【００５８】また、薄膜電極２４ｄに対し、正の電圧を
０Ｖから任意の電圧まで上げながら、各々の電圧に対す
る信号変化を解析し、試料Ｗ表面の各位置におけるオー
ジェ電子を検出して分析を行う。すなわち、図１１に示
すように同定したい物質にのみに電子をポイント照射す
る。次に、薄膜電極２４ｅの電圧値を徐々に下げる。こ
のとき、いわゆるオージェピーク（図１１中δ）を検出
する。オージェピークは物質に特有の値を有するため物
質を同定することが可能である。なお、グラフから求め
られる微分値にてオージェ電子のエネルギを推定し、物
質の同定を行うようにしてもよい。

【００５９】以上説明したように、本第１の実施の形態
に係る形状観察装置１０では、反射電子Ｅをその反射方
向に応じて検出することで、試料Ｗの立体像を観察する
ことができる。また、組成像を観察することができる。

【００６０】図１２は、第１の実施の形態の第１変形例
を示す図である。すなわち、本変形例では、検出器２０
の電極部２６の代りに電極部４０を用いている。電極部
４０は、複数の同心円の環状電極４１ａ〜４１ｄにより
構成されている。このような電極部４０を用いると、試
料Ｗの傾きの大きい部分ほど、そこからの反射電子Ｅは
外側の環状電極４１ｄで検出されることになる。すなわ
ち各環状電極４１ａ〜４１ｄからの信号は試料Ｗ表面の
傾きを反映し、これらの信号から試料Ｗの立体像を形成
することができる。

【００６１】図１３は、電極部４０と試料Ｗの位置関係
を示す図である。電極部４０は外形１０ｍｍ、電子線が
通る穴径は３ｍｍである。また、検出器２０から試料Ｗ
までの距離ＷＤは５ｍｍである。この場合、試料Ｗから
は、４５°から７５°の出射角の反射電子が電極部４０
に届く。なお、試料Ｗからの反射電子Ｅの出射角を等分
して検出するために、環状電極４１ａ〜４１ｄの直径が
外側へ行くほど大きくなるように設定する。例えば、Ｗ
Ｄ＝ｄｍｍ、θ１からθ２までの出射角の反射電子を検
出できる検出器をｎ等分するときの環状電極の直径Ｄ
は、Ｄ＝ｄｔａｎ（（θ１−θ２）／ｋ＋θ２）〜（１）但し、ｋ＝１〜ｎとなる。

【００６２】図１４は、電極部４０を用いた場合の画像
の一例である。大きさが同じでも、試料Ｗ表面の盛り上
がり方が小さいものと（図１４の（ａ））、大きなもの
（図１４の（ｂ））とでは、従来の検出器では区別する
ことができないが、電極部４０を用いた場合には、試料
Ｗの傾きを反映した立体像を得ることができる。

【００６３】図１５は、第１の実施の形態の第２の変形
例を示す図である。すなわち、本電極部２６の代りに電
極部４２を用いている。電極部４２は、同心円状に、か
つ、４分割されている。すなわち、電極部４２は、電極
４３ａ〜４３ｐから構成されている。本変形例において
は、より正確な立体像を得ることができる。

【００６４】図１６の（ａ），（ｂ）は、第１の実施の
形態の第３変形例を示す図である。すなわち、本変形例
では、電極部２６の代りに電極部４４を用いている。電
極部４４は、碁盤の目状に配設された多数の電極４５か
ら構成されている。なお、図１６の（ｂ）に示すよう
に、電極４５の裏面側には、スイッチング素子が形成さ
れ、これらのスイッチマトリックスの選択を行うための
列デコーダ４６及び行デコーダ４７と、各電極からの信
号を読み出すための再生回路４８が構成されている。

【００６５】このように構成された電極部４４では、各
電極４５に各マトリックス要素を、電子線の走査タイミ
ングに合わせて１フレーム、または、１ピクセルごとに
列デコーダ４６、行デコーダ４７でセレクトし、スイッ
チをＯＮして信号を読み取る。これにより、反射電子Ｅ
の検出することができ、試料Ｗの立体像を形成すること
ができる。

【００６６】図１７は、本発明の第２の実施の形態に係
る形状観察装置５０の構成を示す図である。形状観察装
置５０は、試料Ｗに対向配置された電子鏡筒６０と、試
料Ｗから飛び出した二次電子の量を検出する二次電子検
出器７０と、この二次電子検出器７０からの信号を処理
する処理部８０と、この処理部８０における処理結果に
基づいて電子鏡筒５０を制御する制御部９０とを備えて
いる。

【００６７】電子鏡筒６０は、筒状の鏡筒本体６１と、
電子線を放出する電子銃６２と、放出された電子を加速
する加速レンズ６３と、加速された電子線を試料Ｗに対
して左右方向およぴ上下方向に走査する偏向レンズ６４
と、偏向された電子線を試料Ｗの表面に収束する対物レ
ンズ６５とを備えている。

【００６８】処理部８０は、二次電子検出器７０からの
アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器８
１と、Ａ／Ｄ変換器８１でデジタル化した二次電子観察
像を蓄えるフレームメモリ８２と、フレームメモリ８２
に蓄えられた二次電子観察像を演算処理する演算処理装
置８３と、補助メモリ８４とから構成されている。

【００６９】演算処理装置８３は、フレームメモリ８２
の内容に対して、補助メモリ８４に保存されたプログラ
ムを実行し、得られた二次電子観察像の特徴量を算出す
る。制御部９０は、演算処理装置８３で得られた特徴量
に基づいて電子銃６２、加速レンズ６３、偏向レンズ６
４、対物レンズ６５に印加する電圧又は流す電流を制御
する。

【００７０】なお、二次電子観察像の特徴量とは、電子
線の走査方向と試料パターンとの角度ずれ量、濃度変化
率、レンズの収差、試料のチャージアップ、濃度分布率
を示している。また、これらの特徴量は制御部９０によ
り修正を行うことにより、試料Ｗの観察を高精度に行う
ことが可能となる。各特徴量を試料Ｗの観察に最も適し
たものとするための、手順について説明する。なお、図
２０は手順を示すフロー図である。

【００７１】電子線の走査方向と試料パターンとの角度
ずれ量θは、次のようにして修正する。すなわち、最初
に２次電子画像を取得する（ＳＴ１１）。次にフレーム
メモリ８２に蓄えられた図１９の（ａ）に示すような２
次電子画像から水平方向にラインプロファイルを算出し
（ＳＴ１２）、図１９の（ｂ）に示すようなブロファイ
ルのピーク位置を求める（ＳＴ１３）。ラインプロファ
イルを２ケ所以上で取り、ラインプロファイルを取った
位置の差ｄｙ、プロファイルのピーク位置の差ｄｘか
ら、次式（２）を用いてずれ量θを求める（ＳＴ１
４）。すなわち、 θ＝ｔａｎ^-1（ｄｘ／ｄｙ） …（２）このようにして求められたずれ量θに基づいて制御部９
０を介して偏向レンズ６４の印加電圧を調整し、電子線
の走査方向を補正する（ＳＴ１５）。そして、改めて２
次電子画像を取得する。このようにして得られた２次電
子画像を用いることにより、寸法測定をはじめとする形
状観察を高精度に行うことができる。また、電子線の走
査方向の補正は高速、かつ、自動に行うことができる。

【００７２】濃度変化率は、次のようにして最大値に調
整する。すなわち、最初に２次電子画像を取得する（Ｓ
Ｔ２１）。フレームメモリ８２に蓄えられた２次電子画
像から濃度ヒストグラムを求め（ＳＴ２２）、最小濃度
と最大濃度の差ｄｖを求める（ＳＴ２３）。次に対物レ
ンズ６５の印加電圧を調整する（ＳＴ２４）。濃度差ｄ
ｖが最大であれば、観察用の２次電子画像を取得し（Ｓ
Ｔ２５）、濃度差ｄｖが最大でなければ、ＳＴ２１に戻
り、２次電子画像を取得する。

【００７３】このようにして対物レンズ６５に印加する
電圧を調整することで、濃度変化率を最大にすることが
できる。濃度変化率を最大にすることで、焦点あわせを
高速、自動、高精度で行うことができる。

【００７４】なお、対物レンズ６５だけでなく電子銃６
２および加速レンズ６３、偏向レンズ６４を調整するよ
うにしてもよい。また、なお、濃度差ｄｖの代りに半値
幅ｄｈが最大となるように調整してもよい。

【００７５】レンズの収差は、次のようにして最小値に
調整する。すなわち、予め非点収差補正用に正四角柱状
のパターンが形成された収差補正用サンプルをセットす
る（ＳＴ３１）。そして、２次電子画像を取得する（Ｓ
Ｔ３２）。フレームメモリ８２に貯えられた２次電子画
像からラインプロファイルを算出し（ＳＴ３３）、試料
幅ｓｘを算出する（ＳＴ３４）。次に、偏向レンズ６４
の印加電圧を調整し、電子線の走査方向を９０度回転さ
せる（ＳＴ３５）。再度２次電子画像を取得し（ＳＴ３
６）、同様にフレームメモリ８２に貯えられた２次電子
画像からラインプロファイルを算出し（ＳＴ３７）、試
料幅ｓｙを算出する（ＳＴ３８）。試料輻ｓｘと試料幅
ｓｙとを比較し（ＳＴ３９）、同じであれば、電子線の
走査方向を元に戻し（ＳＴ４０）、改めて２次電子画像
を取得する（ＳＴ４１）。一方、試料輻ｓｘと試料幅ｓ
ｙとが同じでなければ、走査方向を元に戻し（ＳＴ４
２）、偏向レンズ６４への印加電圧を変更し（ＳＴ４
３）、ＳＴ３２に戻る。

【００７６】このようにして得られた２次電子画像を用
いることにより、寸法測定をはじめとする形状観察を高
精度に行うことができる。また、非点収差補正を高速、
自動、高精度で行うことができる。

【００７７】試料Ｗのチャージアップは、次のようにし
て防止する。すなわち、最初に２次電子画像を取得する
（ＳＴ５１）、フレームメモリ８２に蓄えられた２次電
子画像から濃度ヒストグラムを求め（ＳＴ５２）、最大
濃度Ｌｖを求める（ＳＴ５３）。最大濃度ＬｖがＡ／Ｄ
変換器８１の有効範囲ｚｖより小さいか否かを判断し
（ＳＴ５４）、Ｌｖ＜ｚｖの場合には、改めて２次電子
画像を取得し（ＳＴ５５）、観察を行う。一方、Ｌｖ＞
ｚｖの場合には、チャージアップしていると判断し、加
速レンズ６３の印加電圧を調整し（ＳＴ５６）、ＳＴ５
１に戻る。

【００７８】このようにして、最大濃度ＬＶが有効範囲
ｚｖ以下に収まるように加速レンズ６３に印加する電圧
を調整することにより、試料Ｗのチャージアップを防止
することができる。

【００７９】試料Ｗの濃度分布率は、次のようにして一
定値以上とする。すなわち、最初に２次電子画像を取得
する（ＳＴ６１）。フレームメモリ８２に蓄えられた２
次電子画像から試料Ｗの濃度ヒストグラムを求め（ＳＴ
６２）、この濃度ヒストグラムから最大濃度と最少濃度
との濃度差ｄｖを算出する（ＳＴ６３）。そして、濃度
差ｄｖと予め定めてある一定値ａｖと比較し（ＳＴ６
４）、ｄｖ＞ａｖであれば改めて観察用の２次電子画像
を取得し（ＳＴ６５）、ｄｖ＜ａｖであれば電子銃６２
の電流を調整する（ＳＴ６６）。このようにして濃度分
布率が一定となるように電子銃６２から放出する電子量
を調整する。これにより、２次電子画像のコントラスト
を向上させることができるため、寸法測定をはじめとす
る形状観察を高精度に行うことができる。また、電子線
の走査方向の補正は高速、かつ、自動に行うことができ
る。

【００８０】なお、本発明は実施の形態に限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形
実施可能であるのは勿論である。

【００８１】

【発明の効果】請求項１に記載された発明によれば、試
料の立体画像を形成することが可能となる。

【００８２】請求項５〜７に記載された発明によれば、
試料の組成画像を形成することができる。

【００８３】請求項８〜１２に記載された発明によれ
ば、試料を最適な状態で走査を行い、高精度な形状観察
を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る形状観察装置
の構成を示す図。

【図２】同形状観察装置の要部を示す縦断面図。

【図３】同形状観察装置に組込まれた第１基板を示す平
面図。

【図４】同形状観察装置に組込まれた第２基板を示す平
面図。

【図５】同形状観察装置に組込まれた第３基板を示す平
面図。

【図６】同形状観察装置に組込まれた第４基板を示す平
面図。

【図７】同形状観察装置に組込まれたマイクロチャンネ
ルプレートの原理を示す説明図。

【図８】同形状観察装置に組込まれた制御部を示すブロ
ック図。

【図９】同形状観察装置に組込まれた薄膜電極の動作を
示す説明図。

【図１０】同形状観察装置による組成像を示す模式図

【図１１】同形状観察装置による物質同定の原理を示す
説明図。

【図１２】同形状観察装置の第１変形例を示す平面図。

【図１３】同第１変形例と試料との位置関係を示す説明
図。

【図１４】同第１変形例による観察例を示す図。

【図１５】同形状観察装置の第２変形例を示す平面図。

【図１６】同形状観察装置の第３変形例を示す平面図。

【図１７】本発明の第２の実施の形態に係る形状観察装
置の構成を示す図。

【図１８】同形状観察装置に組み込まれた電子鏡筒の構
成を示す図。

【図１９】同形状観察装置による電子線走査方向調整の
原理を示す説明図。

【図２０】同形状観察装置による電子線走査方向調整の
手順を示すフロー図。

【図２１】同形状観察装置による濃度差調整の原理を示
す説明図。

【図２２】同形状観察装置による濃度差調整の手順を示
すフロー図。

【図２３】同形状観察装置による収差調整の原理を示す
説明図。

【図２４】同形状観察装置による収差調整の手順を示す
フロー図。

【図２５】同形状観察装置による最大濃度調整の原理を
示す説明図。

【図２６】同形状観察装置による最大濃度調整の手順を
示すフロー図。

【図２７】同形状観察装置による濃度差調整の原理を示
す説明図。

【図２８】同形状観察装置による濃度差調整の手順を示
すフロー図。

【符号の説明】

１０…形状観察装置１１…電子銃（電子線照射部）２０…検出器２１…第１基板２２…第２基板２３…第３基板２４…第４基板２５…マイクロチャンネルプレート３０…画像処理部５０…形状観察装置６０…電子鏡筒７０…二次電子検出器８０…処理部９０…制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤井孝佳神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地株式会社東芝生産技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子線を試料に照射し、前記試料からの反
射電子を検出する形状観察装置において、前記試料に電子線を照射する電子線照射部と、前記試料からの電子を吸収し、複数の範囲に分割して電
流を取出す検出電極と、この検出電極における前記各範囲毎の出力電流に基づい
て前記試料の立体画像を形成する演算部とを備えている
ことを特徴とする形状観察装置。
【請求項２】前記検出電極は、同心円状に配置された複
数の環状電極を備えていることを特徴とする請求項１に
記載の形状観察装置。
【請求項３】前記検出電極は、碁盤の目状に配置された
複数の電極を備えていることを特徴とする請求項１に記
載の形状観察装置。
【請求項４】前記検出電極と前記試料との間には、前記
試料からの電子を増幅するマイクロチャンネルプレート
が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の形
状観察電極。
【請求項５】電子線を試料に照射し、前記試料からの反
射電子を検出する形状観察装置において、前記試料に電子線を照射する電子線照射部と、前記試料からの電子を吸収し、電流を取り出す検出電極
と、この検出電極と前記試料との間に配置された電極と、この電極に正の電圧をＯＶから所定の電圧まで上げる電
圧制御部と、前記電圧と前記検出電極の出力電流との関係に基づいて
前記試料の組成画像を形成する演算部とを備えているこ
とを特徴とする形状観察装置。
【請求項６】電子線を試料に照射し、前記試料からの反
射電子を検出する形状観察装置において、前記試料に電子線を照射する電子線照射部と、前記試料からの電子を吸収し、電流を取り出す検出電極
と、この検出電極と前記試料との間に配置された電極と、この電極に負の電圧を与える電圧制御部と、前記検出電極の出力電流に基づいて前記試料の組成画像
を形成する演算部とを備えていることを特徴とする形状
観察装置。
【請求項７】電子線を試料に照射し、前記試料からの反
射電子を検出する形状観察装置において、前記試料に電子線を照射する電子線照射部と、前記試料からの電子を吸収し、電流を取り出す検出電極
と、この検出電極と前記試料との間に配置された電極と、この電極に正の電圧を与える電圧制御部と、前記検出電極の出力電流に基づいて前記試料の組成画像
を形成する演算部とを備えていることを特徴とする形状
観察装置。
【請求項８】電子線を放出する電子銃と、この電子銃から放出された電子を加速する加速レンズ
と、加速された電子線を偏向する偏向レンズと、偏向された電子線を試料の表面に収束する対物レンズ
と、前記試料から生じた二次電子を検出する二次電子検出器
と、二次電子検出器からの信号を演算処理する演算処理部と
を具備し、前記演算処理装置は、試料と走査方向との角度を算出
し、前記偏向レンズは、前記試料に対して任意の方向に
電子線を走査することを特徴とする形状観察装置。
【請求項９】電子線を放出する電子銃と、この電子銃から放出された電子を加速する加速レンズ
と、加速された電子線を偏向する偏向レンズと、偏向された電子線を試料の表面に収束する対物レンズ
と、前記試料から生じた二次電子を検出する二次電子検出器
と、二次電子検出器からの信号を演算処理する演算処理部と
を具備し、前記演算処理部は、前記試料の濃度変化率を算出する濃
度変化率算出部と、この濃度変化率算出部において算出された前記濃度変化
率に基づいて電子銃およぴ加速レンズ、偏向レンズ、対
物レンズを濃度変化率が最大となるように制御する濃度
変化率制御部とを備えていることを特徴とする形状観察
装置。
【請求項１０】電子線を放出する電子銃と、この電子銃から放出された電子を加速する加速レンズ
と、加速された電子線を偏向する偏向レンズと、偏向された電子線を試料の表面に収束する対物レンズ
と、前記試料から生じた二次電子を検出する二次電子検出器
と、二次電子検出器からの信号を演算処理する演算処理部と
を具備し、前記演算処理部は、前記試料の収差を算出する収差算出
部と、この収差算出部において算出された前記収差に基づい
て、収差が最小となるように前記偏向レンズを制御する
収差制御部とを備えていることを特徴とする形状観察装
置。
【請求項１１】電子線を放出する電子銃と、この電子銃から放出された電子を加速する加速レンズ
と、加速された電子線を偏向する偏向レンズと、偏向された電子線を試料の表面に収束する対物レンズ
と、前記試料から生じた二次電子を検出する二次電子検出器
と、二次電子検出器からの信号を演算処理する演算処理部と
を具備し、前記演算処理部は、前記試料のチャージアップを検出す
るチャージアップ検出部と、このチャージアップ検出部において検出された前記チャ
ージアップに基づいて、前記加速レンズにおける加速エ
ネルギーを制御するチャージアップ制御部とを備えてい
ることを特徴とする形状観察装置。
【請求項１２】電子線を放出する電子銃と、この電子銃から放出された電子を加速する加速レンズ
と、加速された電子線を偏向する偏向レンズと、偏向された電子線を試料の表面に収束する対物レンズ
と、前記試料から生じた二次電子を検出する二次電子検出器
と、二次電子検出器からの信号を演算処理する演算処理部と
を具備し、前記演算処理部は、試料の濃度分布率を算出する濃度分
布率算出部と、この濃度分布率算出部において算出された前記濃度度分
布率に基づいて所定範囲内となるように電子銃およぴ加
速レンズ、偏向レンズ、対物レンズを調整してコントラ
ストを向上させる濃度分布率制御部とを備えていること
を特徴とする形状観察装置。