JPS61239554A - 電位測定装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、電子ビームによる電位測定装置に係り、特に
、走査形電子顕微鏡等の粒子線装置の試料室内の試料上
の微細個所あるいは微小試料の電位や電位分布を測定す
る電位測定装置に関する。

〔発明の背景〕

金属に数キロボルトの電子を照射すると、２次電子が放
出される。この２次電子は、通常２〜３ｅＶにピークを
もった分布をしている。この様子を第１図（ａ）に示し
た。試料（ターゲット）の電位が零ボルトの場合には（
、）図のようなエネルギー分布になる。もし試料の電位
が負の数ボルトの電位になったとすると第１図（ｂ）の
ように分布が右側にずれた形になる。このピーク値のず
れは、試料の電位の変化分に等しい。この特性を利用す
ると、エネルギーの分布を測定することにより未知の試
料電位を知ることができる。原理的にはこのピーク値の
ずれを測定する必要があるが、簡易的には、反射形のエ
ネルギー・フィルタにより測定する方法が広く用いられ
ている。反射形エネルギーフィルタは、第１゜図（ａ）
。

（ｂ）の斜線で示した部分に比例した信号を得る、いわ
ゆる高域濾波形のエネルギー・フィルタである。試料の
電位が変わることにより、斜線部の面積が変化するので
、この変化量により試料電位を測定するものである。

第２図は、反射形のエネルギー・フィルタを用いた従来
（スキャニング・エレクトロン・マイクロスコピイ（Ｏ
５ｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌ、ｅｃｔｒｏｎ旧ｃｒｏｓｃｏ
ｐｙ）、１９７８、Ｖｏｌ、、］、３７５　ＩＩＴＲＩ
参照）の電位測定方式の構成を示す図である。第２図に
おいて、１は偏向板、２は第１グリツド、３は第２グリ
ツド、４は試料であり、試料４に電子線１１が照射され
る。電子線］１は偏向板１により試料４上の任意の点に
照射することができる。この試料４の接地に対する電位
５は未知で−である。この未知の電位５を２次電子によ
り測定しようとするものである。試料４から放出された
２次電子１３は、＋１０〜＋１００ｖの電位６が印加さ
れた第１グリツ′ド２により加速され、そのほとんどは
第１′グリツド２を通り抜ける。第２グリツド３には、
例えば、−５Ｖのような電位７（エネルギー・フィルタ
電位）が印加されている。第２グリツド３を通過した２
次電子１２は２次電子検出器８により検出される。この
２次電子検出器８は、ライトガイドの先端にシンチレー
タあるいは蛍光体が保護リングにより取付けられている
構成のものである。

この部分には、リード線により約１．ＯＫＶの正の電位
が加えられる。２次電子はこのｌ０ＫＶで加速され、シ
ンチレータをひからせる。この光はライトガイドにより
光電子増倍管に導びかれ、ホマトルチプライヤーで検知
される。第２グリツド３に印加する電位７を、例えば−
３０〜＋３０Ｖまで変化させ、これに対応した２次電子
検出器８の出力を、ＸＹ記録形１０′に記録すると、第
３図のホのような曲線が得られる。これを一般にはＳ字
曲線と呼んでいる。第３図は上記の操作で得られた反射
形エネルギー・フィルタの分析特性例を示したもので、
横軸は第２グリツドの電位、縦軸は２次電子検出器出力
である。この特性曲線は第１図の２次電子のエネルギー
分布曲線を右から順に積分したものに相当する。曲線ホ
とへは、例えば第１図（ａ）と（ｂ）のように、２つの
異なる試料電位について得られ、た曲線である。両開線
とも、第２グリツドの電位が負になるに従って２次電子
検出器出力が減少する。曲線ホは曲線へに比べると左側
にシフトしている。これは曲線ホの試料電位の方がより
負電位であることを示している。実際の電位測定では、
２次電子検出器出力８を例えば矢印りで示した値に設定
し、Ｓ字曲線との交点Ｖ、、Ｖ、を得る。この差（Ｖ。

−Ｖ、）が試料電位５の変化分になる。ホの曲線が試料
電位零のときのものと確認されているならば、Ｖ、　−
Ｖ、はへの測定時の試料電位となる。曲線ホ　とへのよ
うに理想的な曲線が保たれていてシフトだけが生じてい
るならば上記の測定に問題はない。しかし、現実には、
曲線の高さの変動が起こる。この原因は、試料への照射
電子量の変化、測定個所の材質の差、電子照射による試
料の汚染等である。例えば、これらの原因で曲線ホが曲
線　１・　となったとし、曲線へは元のままであったと
すると、レベルリで求められた第２グリツド電位はＶ　
、　ｌ　　となり２つの試料電位の間にはほとんど電位
差がないという間違った結！　　　　　果を示す３８°
な６・ 〔発明の目的〕 本発明の目的は、従来技術での上記した問題を解決し、
照射電子量の変動等に起因する測定誤差をなくし、測定
精度の向上を可能とする電位測定装置を提供することに
ある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、前記の問題を解決するために第２グリ
ツド電位で微分し、さらに２次電子検出器出力で規格化
した曲線（第２グリツド電圧で微分した曲線は２次電子
のエネルギー分布に相当するので以後この分布を規格化
２次電子分布曲線とよぶ）を用いたことである。以下、
図を用いて前記の規格化した２次電子分布曲線を詳述す
る。第４図の（ａ）はＳ字曲線■である。この曲線のあ
る第２グリツド電位Ｖ。と＋ＡＶａ／２だけずれたエネ
ルギー・フィルタ電位に相当する２次電子検出器出力、
Ｉ、ｏ、Ｉ。＋＋ｒ、、２を求め、（■。、−Ｔ。、）
／（Δｖａ・■ｃｏ）を演算する。エネルギー・フィル
タ電位の全範囲で前記演算を実施すると、第４図の（ｂ
）のような曲線■が得られる。この分布曲線Ｉ　ｃｏで
規格化されているため、照射電流変動を原理的に受けな
い。また試料が汚染され、２次（８）　　　　　　　　
　　　　　・２電子放出紙が変化しても、２次電子のエ
ネルギー分布に大きな差が生じないのでほぼ同一の曲線
になる。この曲線を用いて電位測定を行おうというのが
本発明の主眼点である。

【発明の実施例〕 第４図を用いて本発明の基本概念を述べた。さて、本発
明の具体化には、回路的に微分・演算を行う方法と計算
機のメモリにＳ字曲線を取り込み、その後、演算処理す
る方法とがある。第５図は計算機を用いた実施例である
。２次電子検出器８の出力は増幅器９で増幅され、ＡＤ
回路１６を介して計算機１７に入力する。第２グリツド
３の電源１５は計算機１７の指令を受け、電圧を出力す
る。

計算機１７から電源１−５に指令をだす（例えば−３０
ｖ）。そのときの２次電子検出器出力をＡＤ回路１６を
介して取り込む。つぎに第２グリツドの電位を、例えば
−２９，５Ｖ　に指定し、また２次電子検出器出力を取
り込む。これを例えば３０■まで実施し、Ｓ字曲線を得
る。これを用いて第４図で示した演算を実施し、規格化
２次電子分布曲線を作る。この実施例では、データの取
り込み後、演算をしたが、第２グリツド電圧に変動を与
えながら順次演算をし規格化２次電子分布曲線を作って
もよいことはもちろんである。

第６図は回路的に規格化２次電子分布曲線を得る回路図
である。第２グリツド３の電源７に交流電圧２１　　（
／ＩＶ、）を重畳する。２次電子検出器８の出力を増幅
器９で増幅する。この出力には周波数同調型増幅器１８
が接続されている。この増　　　　　：幅器では交流電
圧２１に同調した同波数のみを検　　　　　［・・：；
出し、整流して、出力する。一方、増幅器９の出力　　
　　　）、を低域濾波フィルタ回路２０を通し、変動分
を除　　　　　ｉ゛去し、これを割算回路１９の分母信
号とする。分　　　　　１力されているので割算回路１
９の出力には、第４′ｆ子信号には、周波数同調型増幅
器１８の出力が入園で説明した（ｒ、、、−’ｒ、２）
／（／ＩＶｏ・１、、ｏ）が、′。

＄　５　’ｌ　ｔＬｆ＝　：：　＆　ＬＺ　ｆ、ｒ　６
　、”°““パ”“”゛；このＹ入力とし、第２グリツ
ド電源７をＸ入力とす　　　　　：・れば、規格化２次
電子分布曲線を得ることができ　　　　　Ｖ″る。この
場合にも、記録計１０の代りに訂算機登用いると、より
便利であることは言うまでもない。

前記のようにして得られた規格化２次電子分布曲線にス
ライスレベルを与え、この曲線との交点から、未知の電
圧を測定することが可能となる。

第７図は、前記スライスレベル法を説明する図である。

曲線イは、試料が零電圧のときの規格化２次電子分布曲
線で、　口は未知の電圧の分布曲線である。ハはスライ
スレベルである。イ　と八との交点の第２グリ゛ツド電
圧はＶ。ＬＯとＶ。Ｉ、。

である。−右目　とハとの交点からＶ　ＯＬ□ＩＶＯＩ
ＩＩが得られる。すると、未知電圧は、（ｖ、、Ｌ、−
ｖａＬｏ）または（■。ＩＩＩ　　ｖａ□。）で求めら
れる。原理的にはどちらの算出法でも問題はないが、ど
ちらを用いるかは、精度や信頼性の観点から判定される
。

実験から分布の左側を用いる方がより信頼性の高い測定
が出来ることがわかっている。同様にスライスレベルの
高さも同様に信頼性に影響を与える。

最も典型的なＶａｔ、。とじては、−５〜−１０ｖであ
る。

前述のスライスレベル法では一本のスライスレベルで判
定をしたが、スライスレベルをある範囲で複数回、例え
ば、−７〜−８ｖの間で１０回、与えて、得られた結果
の平均値をとる方法は、誤差を小さくする方法の一つで
ある。またピーク値で判定してもよいことはもちろんで
である。

第８図は他の判定方式が、試料電圧が零のときの規格化
した２次電子分曲線の一部分をテンプレート（ａ）とし
゛、未知電圧の規格化した２次電子分布曲線（ｂ）との
最大一致をとる方式である。

第９図は本発明の電位測定法を電圧の時間変化を測定す
るフィードバック動作の動作点設定に用いた他の実施例
である。スイッチ２５．２６かの側に接続されている場
合には、第５図と回りである。この状態で規格化した２
次電子分布曲線を作り、試料電圧を判定する。判定後、
スイッチ２５゜２６は■側に接続する。この状態で第２
グリツド３はフィードバック動作になる。増幅器９の出
力は計算機１７から設定された基準電圧２２と比較され
る。比較増幅器２３の出力は増幅器９の出力を減少させ
るように作られている。この結果、増幅器９の出力は、
試料電圧５が変化しても一定値を保つようになる。この
とき第２グリツド電圧をＡＤ回路２４を介して監視して
いるとこれが試料電圧の変化になる。ところがこのフィ
ードバック漬　　　　　動作は第２グリツド電圧がある
範囲のときに正常１ｉ　　　　　　に働く。そこで本実
施例では、規格化した２次電？、： 、　　　　４＋′−ａ″１゛“ｓ　６　＊　ｈ　ｆ＝　
Ｋ″ｆＥＢＥ＆り！！Ｉｔ（＋ｉｌ　Ｌ、、　’−ｚ、
：：　　　　　　イードバック動作時の第２グリツド電
圧の値を決゛定する。例えば、試料電圧よりも７−Ｌｓ
ｖ低い第□゛′　　　　　２グリツド電圧になるように
、２次電子検出器８あるいは増幅器９を調整する。一般
的には２次電子検出器８を調整するのが容易で、ホトマ
ル高電圧を変化させる方法をとる。

なお、本発明は、電子ビームをパルス化するストロボ法
に用いることができることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上、実施例を用いて説明したごとく、本発明によれば
、照射電子ビームの変動や試料汚染による測定誤差を著
しく小さくすることができ、半導体等、微細部分の電圧
測定を精度よく行うことができ、産業に与える効果は大
きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、電子ビームを用いた電圧測定の原理を説明す
る図、第２図は電圧測定の基本装置構成を説明する図、
第３図は貨来法の問題点を説明する図、第４図は、本発
明の詳細な説明す□る図、第５図は、計算機を用いた本
発明の一実施例を示す図、第６図は、回路的に本発明を
実施した例を示す図、第７図はスライスレベルで試料電
圧を判定する方法の説明図、第８図はテンプレートを用
いた判定法の例を示す図、第９図は本発明をフィードバ
ック測定法に取り入れた例を示す図である。 ３・・・第２グリツド、７・・・第２グリツド電源、８
・・・２次電子検出器、９・・・増幅器、１０・・・ｘ
ｙ記録計、１８・・・周波数同調型増幅器、１９・・・
割算回路、２０・・・低域３波フィルタ回路。　　　　
　　　　　り１、テ・−・・ハ 代理人　弁理士　小川勝馬・、□・７ノ−←＆″４に 茗３図 ２シ欠１Ｐ子序史上器出カ ナ２７’　ソ、Ｊこ電イｈ　　　−う１−冨　４　　図 す２グリシに電位　　　　□

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、荷電ビームを試料に照射し試料から発生する２次電
   子のエネルギーを平板状あるいは半球状のグリッドと該
   グリッドを通過した２次電子を検出する検出器とからな
   る反射形のエネルギーフィルターで分析し、荷電ビーム
   を照射した試料上の微小箇所の電位を測定する電位測定
   装置において、前記検出器出力のグリッド電位に対する
   微分値を前記検出器出力で規格化した値を用いて試料電
   位の判定を行う如く構成したことを特徴とする電位測定
   装置。 ２、前記グリッド電位と前記検出器出力との関係を記憶
   回路に入力し、データ取得後に電子計算機により、前記
   微分値と前記検出器出力とによる規格化をした値と、前
   記グリッド電位との関係曲線を求め、該関係を用いて試
   料電位の判定を行う如く構成したことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の電位測定装置。 ３、前記グリッド電位に交流分を重畳する回路と、前記
   検出器出力に該交流と同期させた周波数同調増幅器と、
   該周波数同調増幅器出力を分子とし検出器出力の直流分
   を分母とする割算回路とで、前記微分値の規格化あるい
   は前記グリッド電位との関係曲線を求め、これを用いて
   前記試料の電位を判定する如く構成したことを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項記載の電位測定装置。 ４、前記検出器出力で、規格化した微分値と前記グリッ
   ド電位との関係曲線にスライスレベルを与え、該スライ
   スレベルと前記関係曲線とが交叉するグリッドの電位を
   求め、これを用いて試料電位の判定を行う如く構成した
   ことを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の電位測定
   装置。 ５、前記スライスレベルと前記検出器出力で規格化した
   微分値を前記グリッド電位との関係曲線との交点が２箇
   所ある場合、エネルギーフィルタ電位の低い方を用いて
   構成したことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の
   電位測定装置。 ６、前記検出器出力で規格化した微分値と前記グリッド
   電位との関係曲線のピーク値を用いて前記試料電位の判
   定を行う如く構成したことを特徴とする特許請求の範囲
   第２項記載の電位測定装置。 ７、前記試料電位が零ボルトのときの前記検出器出力で
   規格化した微分値と前記グリッド電位との関係曲線の一
   部をテンプレートとし、このテンプレートと未知の試料
   電位の関係曲線との最大の一致を得るエネルギーフィル
   タ電位の差から前記試料電位を判定する如く構成したこ
   とを特徴とる特許請求の範囲第２項記載の電位測定装置
   。