JPS61208736A - 走査粒子顕微鏡 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、粒子ビーム発生器、ビーム形成レンズ系１
粒子ビーム集束・偏向装置および一次粒子制動装置を備
える走査粒子顕微鏡に関するものである。

〔従来の技術〕

半導体工業においてはマイクロエレクトロニクス・デバ
イスの開発と製造の全分野に亘って走査電子顕微鏡が広
く使用されるようになった。例えば高密度集積回路製作
の各工程段を管理し、マスクとウェーハを検査し、電子
ビーム・リングラフィにおいて微細構造を対象物に投像
する等に使用される。研究開発の分野では走査電子顕微
鏡が主として高密度集積回路の検査に使用される。いく
つかの選定された回路節点において電位の時間経過を測
定することによりデバイスの構成や欠陥を既に設計の段
階において認知し除去することができる。

走査電子顕微鏡によって電位の定量測定を行う際測定結
果の誤りを避けるためには、多くの場合絶縁性の支持体
の表面に置かれているデバイスが測定中充電されないよ
うにしなければならない。

従って走査電子顕微鏡を測定に使用する場合には、・試
料に当る一次電子流と試料から出た二次電子流子−？ｔ
Ｃ注士番刷讐７槍しユ？備潜１Δ＾？＾Ｉｒ片麿する必
要がある。

この条件は電子の一次エネルギーが中性点エネルギーと
一致する場合に常に満たされる。この物質に関係する中
性点エネルギーは一般に比厳的低ぐα５　ｋθ１７と２
．５ｋｅＶの間にある。

走査電子顕微鏡で測定する際低エネルギー電子を使用す
ると例えばＭＯ８メモリ・ユニット等の放射線に敏感な
デバイスの機能が過負荷と損傷なしに調べられるという
利点が得られる。

電子ビーム・リングラフィにおいても現在は高エネルギ
ー電子によって込るが、将来は分解能を改善するため相
当低い一次電子エネルギーで作業するようになると予想
される。

従って半導体技術の全分野で高密度集積デバイスの高分
解能検査を迅速に行うために高性能の低電圧走査電子顕
微鏡への要求が増大する。従来の走査電子顕微鏡では加
速電圧が低いと分解能と試料に与えられる探査電流が著
しく低下するから、この種の機器を上記の目的に使用す
る仁とは限られた範囲だけで可能である。この現象の原
因は電子ビームの集束を妨害する電子間の交互作用であ
る。特に問題となるのはビーム放射値の高い電子放出源
、例えば六ホウ化ランタンの単結晶陰極をもつ系におい
て生ずるベルシュ効果と呼ばれているビームの膨張であ
る。この効果により加速電圧が低いとき電流密度の高い
細い電子ゾンデを作ることは不可能である。

試料表面におけるゾンデ直径の最小値は二つの根本的に
異った効果によって限定される。まずビーム路の全長で
作用する電子間の反発クーロン力により電子間の間隔が
広がりビーム直径が増大する（横方向ベルシュ効果）。

次に電子間の電磁交互作用により電流密度の高い区域特
にビーム交差区域において電子のエネルギー分布が拡が
りゾンデ直径は間接的に対物レンズの色収差を通して拡
大する（エネルギーベルシュ効果）。

ベルシュ効果が少ない走査電子顕微鏡は既に提案されて
いる（西独特許出願公開第３４２９８０４号公報参照）
が、それによれば電子光学筒内で最初電子を高い電位に
上げ、試料の直前で制動して所望の低いエネルギーとす
ることにより横方向ベルシュ効果を低域させる。しかし
加速電圧が高いから電子のエネルギー分布の拡がりが特
にビーム交差点において大きくなり、横方向ベルシュ効
果の低減効果がエネルギーベルシュ効果の強化によって
部分的て打消される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この発明の目的は、ビーム路においては横方向ベルシュ
効果が低減され、ビーム発生器においてはエネルギーベ
ルシュ効果が低減されている走査電子顕微鏡を提供する
ことである。

〔問題点の解決手段〕

この目的１は特許請求の範囲第１項に特徴として挙げた
構成とすることによって達成される。

〔発明の効果〕

この発明による電子顕微説の長所は、−次電子エネルギ
ーが低い場合にも試料に与えられる探査電流が予め定め
られたビーム直径のまま著しく高められることである。

この発明の有利な実施態様は特許請求の範囲第２項以下
に示されている。

〔実施例〕

図面に示した実施例についてこの発明を更に詳細に説明
する。

第１図にこの発明による走査電子顕微鏡の電子光学筒を
図式的に示す、陰極Ｋから出て吸引電極Ａ１と陽極Ａ２
に向って加速された電子はウェーネルト電極Ｗによって
第一ビーム交差点（線源クロスオーバー）ＣＲ１に集め
られる。集束された細い電子ゾンデとするため陰極にの
像ＯＲ１はコンデンサ・レンズに１．に２と対物レンズ
ＯＢにより電子光学的に縮小されて試料に投慮され、そ
の途中で電子軌道は各レンズ系の磁場を通過した後ビー
ム交差点ＣＲ２又はＯＲ３に集められる。

電子光学ユニットの結像特性を改善するためビーム路中
に絞りＢ２．Ｂ５．Ｂ４が配置される。これらの絞りの
それぞれにおいて試料に与えられるビーム流が相当に削
減されるから、例えば交差点ｃｒｔ１とＣＲ３において
の電子流密度は桁違いに異っている。−次ビームＰＫの
試料に対する位置稠整は静電又は電磁偏向系による。第
１図に示されている電磁偏向系のコイル対を通しての制
御により、−次電子ビームは試料を線走査するかあるい
は試料の一点に当るようにすることができる。

半導体デバイス例えば集積回路をトポグラフィ・コント
ラスト又は電位コントラストによって調べるため走査電
子Ｓ＠鏡に一次電子ビームによって試料から放出された
二次電子又は後方散乱電子を検出する検出系ＤＴが設け
られる。集積回路内の高周波信号の流れを測定するため
に組み込まれたビーム遮断系部品は図を見易くするため
ビーム発生系の電源ならびに電磁レンズと共に図には示
されていない。

従来の走査電子顕微鏡の低エネルギー電子ビームの集束
は特に高いビーム放射値を示す電子源が使用されている
と狭い限界内に止められるが、その原因はビームの全長
に亘って作用する電子間のクーロン力に基く電子ビーム
の膨張である。次式％式％） で与えられるゾンデの直径ｄは幾何学的のビーム直径ｄ
　　と色収差円板直径と呼ばれているｄＦｇｅ。

に関係す机ｄｇｏ０は発生源と試料の間のビーム路中の
電子間クーロン反発力に基ぐビームの膨張即ち横方向ベ
ルシュ効果によって決められる。電子間の電磁交互作用
は平均空間間隔だけではなくそのエネルギー分布の幅に
よっても変化するが。

エネルギー分布の拡がりは間接的に対物レンズの色収差
を通してゾンデの直径を太きぐする。このエネルギーペ
ルシュ効果のゾンデ直径ｄへの寄与は上式のｄＦで考慮
されてｂる。

前に述べたように電子を例えば１０ｋｅＶ程度の高り一
次エネルギ一番もって電子光学筒を通過させ試料の直前
で例えばｊ　ｋｅｌ／程度の低いエネルギーに減速する
ことによって横方向ベルシュ効果を低減させることがで
きる。横方向のベルシュ効果がゾンデ直径に及ぼす影響
は一次エネルギーが高くなると低減されるから、上記の
手段によってビーム直径を一定にして試料に与えられる
電流を著しく増強させることができる。しかし新らしい
計算によれば一次エネルギーが高いとビーム路の最初の
部分において電子のエネルギー分布が拡がることになる
。この場合第一ビーム交差点はそこの電流密度が高いた
めエネルギー分布の拡がりに対する寄与も大きい。

例えばケンブリッジ・インスツルメンツ（Ｏａｍ−ｂｒ
ｉｄｇｅ　工ｎｓｔｒｕｍｅｎｔａ　）社の走査電子顕
微ｊ１！８１５０ではビーム電流が２５０ｔｉＡであり
、エネルギー分布の半値幅は一次電子エネルギー１　ｋ
ｅＶで第一交差点ａＲｌを通過したきき約ｔｙｔ　ｅｖ
であり、１０にθＶに加速した後１　ｋｅＶまで減速す
ると約２．２θＶに拡がる。従って上記の式に従いゾン
デ直径に及ぼす色収差の影響が強くなる。

仁の発明により電子が第一ビーム交差点ＣＲ１を低エネ
ルギーをもって通過するようにすると走査電子顕微鏡の
ビーム発生器内のエネルギー・ベルシュ効果は著しく低
減される。エネルギー・ベルシュ効果がビームの直径に
及ぼす悪影響が電子エネルギーの低下と共に確実に低下
することから、陰極にと吸引電極Ａ１の間の電位差はで
きるだけ小さくする必要がある。一方ビーム電流を制限
する空間電荷が陰極にのまわりに形成されないようにす
るため、この電位差はある最低値を越え、てはならない
。陰極と吸引電極間の電位差の最適値は２ｋＶと見られ
る。この条件の下に陰極には最高のビーム放射値を与え
ると同時に、第一交差点における電子エネルギーは充分
低くエネルギー・ベルシュ効果に基ぐビームの膨張は著
しく減少する。この発明によればケンブリッジ・インス
ッルメンツ（、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ工ｎｓｔｒｕｍｅｎ
ｔｓ　　）社の走査電子顕微鏡において吸引電圧を２ｋ
Ｖ、中間加速を１０　ｋｅＶ、電子の最終エネへギーを
１にθＶとしたとき電子のエネルギー分布幅は約３０％
減小した。

低エネルギーの電子は第一交差点ＯＲ１を通過した後横
方向ベルシュ効果の影響を低減させるため吸収電極Ａ１
と陽極Ａ２の間の電場で高い一次エネルギー、例えば１
０　ｋｅＶに加速される０次いで静電制動装置Ｒにより
試料に達する直前に例えば１ｋｓＶに減速される。横方
向ベルシュ効果の影響は低いエネルギーで通過するビー
ム路の長さと共に増大するから、制動点と試料の間の路
程はできるだけ短くする。従って第１図に示すように制
動装置ｌｌＲを対物レンズＯＢの区域に置くことは最適
配置と見られる。これによって達成される制動点と試料
間の最短間隔により従来のものに比べて最大のビーム放
射値上昇となる。

使用分野とそこで取扱われる問題によっては複数の制動
装置を設ける方が有利となる。この判定の基準は、試料
がｍｌｊｌ装動の高電位によってその機能を妨害される
こと番考えて試料と検出器の間にどれ程の作業間隔を置
かなければならないかにある。更に制動装置Ｒが同時に
レンズ類似の特性を示す場合あるいは電磁レンズに組み
込まれる場合も青線しなければならない。

制動装置Ｈの最も簡単なものは一つ又はそれ以上の電圧
印加電標から構成される。第一近似においてレンズ作用
を示さず網又は格子間の間隔が大きい網電極又は格子電
極は特に有利である。二つの網を前後に近接して配置し
、最後の電極を制動電極とすると、ビーム路に複雑な電
位分布の形成が避けられる。単独の網電極もその複雑な
電位分布が他の電子光学部品の設計に際して考慮される
場合には使用可能である。原理的には任意の静電制動要
素が４に二電極構造又は多電極購造として電子の制動に
使用される。

レンズ作用を示す制動装置ｆＲとしては絞り１円筒レン
ズ、抑制レンズ（単レンズ）又はそれらの組合わせが場
合によって網電極又は格子電極と組合わせて使用される
。ここで静電レンズは電磁レンズに付加しであるいはそ
の代りとして設けられる６静電レンズと電磁対物レンズ
を例えば静電インマージョン対物レンズの形に電子光学
的に結合したものも有利である。

第１図乃至第５図に示した装置によってビーム路の最初
の低エネルギー区間においてはエネルギー・ベルシュ効
果の悪影響を、第二の高エネルギー区間においては横方
向ベルシュ効果を作用を著しぐ低減させることができる
。

陰極に、ウェーネルト電極Ｗ、吸引電極Ａ１゜陽極Ａ２
および制動装＃Ｒに第１図に記入した電圧を印加すると
、電子は第一交差点ＯＲＩを２ｋｅ７のエネルギーで通
過し、その後で約１０　ｋｅＶに加速される。この高い
一次エネルギーをもって電子は電子光学筒を通り抜け、
地電位に置かれた試料ＰＲの直前で制動電極装置ｔＲに
より１　ｋｅ＋７に減速される。

電子光学筒を高い一次エネルギーをもって通過させる場
合には、陰極と吸引電極間の電位差を不変にして陰極と
陽極の間の電位差だけを上昇さぜる。

ビーム路の高エネルギー区間における電子エネルギーを
精確に決めるためには、制動電極Ｒの直前まで電子を陽
極電位に置かれた非強磁性材料の中空円筒を通して導く
。

この発明による構成はベルシュ効果が分解能を限定する
電子ビーム記碌計にも採用可能である。

ここでも高い電子エネルギーで記鎌が行われるから電子
は最初的５ｋＶで陰極から引き出され、約５０ｋＶで加
速された後例えば２０　ｋｅ＋７の最終所望エネルギー
に減速される。

この発明は電子ビーム装置に限らずイネ／ビーム装置に
も有効であることを指摘しておく。

第２図の走査電子顕微鏡では、所望の最終エネルギーへ
の電子の制動は第二コンデンサレンズに２と対物レンズ
ＯＢの間で行われる。走査電子顕微鏡が一つのコンデン
サレンズだけを備えている場合には、制動電極がこのコ
レデンサレンズト対物レンズＯＢの間に設けられる。制
動電極Ｒは第３図に示すようにコンデンサレンズに１．
に２の一方に組み込むことも可能である。

第２ｒ！ｇと第３図の実施例は、地電位に置かれた一つ
のビーム交差点に接近可能であるという利点をもつ。こ
の交差点の区域にビーム遮断系を置くと有利である。

第４図の走査電子顕微鏡では電子がコンデンサレンズに
１とに２の間で制動される。この場合制動電極Ｒはコン
デンサレンズに１のビーム交差点−０Ｒ２に設けられる
。

走査電子顕微鏡に二つ以上のコンデンサレンズが設けら
れていると、制動電極は第１図乃至第４図の実施例と同
様に続く二つのコンデンサレンズの間あるいはｉつのコ
ンデンサレンズ内あるいは対物レンズの後に設けられる
。電界放出陰極を備える走査電子顕微鏡では一次電子の
一１動を対物レンズの前で行うのが有利である。

第５図の走査電子顕微鏡では対物レンズＯＢが静電イン
マージョンレンズで置き換えられている。

米国特許第４４３９６８５号明細書に記載されているよ
うにこの種の集束単レンズは同時にビーム列外し系とし
て使用できるように構成できる。

制動点を電子放射源に向って移動させることにより電子
が低速度で通過するビーム路区間が延長される。第２図
乃至第５図の装置においてビーム発生器内のエネルギー
・ベルシュ効果による悪影響が低減しても、横方向ベル
シュ効果による電子ゾンデの膨張は制動点と試料の間の
間隔に比例して増大する。第１図の装置に対してこのよ
うな欠点があるにもかかわらず規定のゾンデ直径におい
て電流密度は従来のものより確実に上昇している、高エ
ネルギーの一次電子を所望の最終エネルギー値まで減速
する制動装置Ｒの種々の形態を第６図に示す。基本的に
は総ての静電減速装置がこの目的に使用されるが、特に
二電極又は多電極装置又はそれらの組合せが有利である
。

二つの直列接続網電極で構成された装置１では、試料に
近い網電駕Ｎ２がＮ１より低い電位に置かれる。

絞りＢ１とＢ２で構成された電極装置２はレンズ類似の
性能を示す。中空円筒ＲＯ４とＲＯ２で構成された電極
層ｆ３も使用される。電極装置１゜２に対応して中空円
筒ＲＯ２はＲｏｔよりも低い電位に置かれる。

一次電子の制動に静電単レンズＥを使用するときは、電
極Ｅ３には電極Ｅ１より低い電圧を印加しなければなら
ない。電子ビームの遮断には中央電極に２に電極Ｅ１の
電圧より遥に負の電圧を印加する。

これまでこの発明を走査電子顕微誘について説明して来
たが、この発明は総ての粒子ビーム測定器に適用される
もので、特にベルシュ効果によって分解能が低下するイ
オンビーム測定器に対して有効である。

【図面の簡単な説明】

第１１乃至第５図はこの発明の五種類の実施例の概念的
構成を示し、第６図はこの発明の走査電子顕＃鏡に使用
される一次電子減速用の静電制動装置の電極構造の四側
を示す。 第１図乃至第５図において谷：陰極、Ｗ：ウェーネルト
電極、Ａ１：吸引電極、Ａ２：陽極、８２〜Ｂ４：開Ｃ
ｈ咬り、Ｒ：電子制動装置、ＰＲ：試料、Ｋ１とに２：
コンデンサレンズ、ＯＢ＝対物レンズ。 ＦＩＧＩＩＪＥ ＦＩＧ　６ ビー＾す句

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）粒子ビーム発生器、この発生器内でウエーネルト電
   極と陽極の間に置かれた吸引電極、粒子ビーム形成用レ
   ンズ系、粒子ビームを集束し試料に向けて偏向する装置
   および粒子ビーム路内で一次粒子を制動する装置を備え
   る走査粒子顕微鏡において、ウエーネルト電極（Ｗ）と
   陽極（Ａ２）の間に設けられた吸引電極（Ａ１）が陰極
   （Ｘ）の電位に対して正の第一電位に置かれ、陽極（Ａ
   ２）は陰極（Ｋ）の電位に対して正の第二電位に置かれ
   ること、この第二正電位が吸引電極（Ａ１）の第一正電
   位よりも高いことを特徴とする走査粒子顕微鏡。 ２）吸引電極（Ａ１）と陽極（Ａ２）の間の電位差が吸
   引電極と陰極（Ｋ）の間の電位差の数倍であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の走査粒子顕微鏡。 ３）粒子制動装置（Ｒ）が電磁レンズ（Ｋ１、Ｋ２、Ｏ
   Ｂ）の一つに設けられていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項又は第２項記載の走査粒子顕微鏡。 ４）粒子制動装置（Ｒ）が一つの静電レンズ（Ｅ）に組
   込まれていることを特徴とする特許請求の範囲第１項又
   は第２項記載の走査粒子顕微鏡。 ５）粒子制動装置（Ｒ）がレンズ（Ｋ１、Ｋ２、ＯＢ、
   Ｅ）中の二つの間に設けられていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項又は第２項記載の走査粒子顕微鏡。 ６）粒子制動装置（Ｒ）が最後のレンズ（ＯＢ、Ｅ）の
   後の粒子ビーム路内に設けられていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項又は第２項記載の走査粒子顕微鏡
   。 ７）電界放出電極（Ｋ）がビーム発生装置に設けられ、
   粒子制動装置（Ｒ）が対物レンズ （ＯＢ）の前の粒子ビーム路に設けられていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項乃至第６項の一つに記載
   の走査粒子顕微鏡。 ８）粒子制動装置（Ｒ）が二電極装置として構成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第７項
   の一つに記載の走査粒子顕微鏡。 ９）粒子制動装置（Ｒ）が多電極装置として構成されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第７項
   の一つに記載の走査粒子顕微鏡。 １０）粒子制動装置（Ｒ）が網電極（Ｎ）として作られ
   ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第７
   項の一つに記載の走査粒子顕微鏡。 １１）粒子制動装置（Ｒ）が絞り（Ｂ）として作られて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第７項
   の一つに記載の走査粒子顕微鏡。 １２）粒子制動装置（Ｒ）が円筒レンズ（ＲＯ）として
   作られていることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃
   至第７項の一つに記載の走査粒子顕微鏡。 １３）粒子制動装置（Ｒ）が単レンズとして作られてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第７項の
   一つに記載の走査粒子顕微鏡。 １４）粒子制動装置（Ｒ）が静電インマージヨン・レン
   ズとして作られていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項乃至第７項の一つに記載の走査粒子顕微鏡。