JPS639855A - 電子計数装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、光エネルギーの照射で試料から放出される電
子の数を計数する電子計数装置に関する。

（従来技術） 従来、例えば半導体素子等の試料表面を覆って設けた酸
化膜等の膜厚を計測する方法として、試料表面に光を照
射し、光の照射により試料の薄膜を通って外部に放出さ
れる電子を電子検出部により検出して膜厚を計測する方
法が知られている（特願昭５９−１１８８１８号等）。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の電子検出部を使用した
膜厚計測装置にあっては、電子検出部に対し分離配置さ
れた光源装置からの光を電子検出部の検出窓に相対配置
されている試料に斜め方向から照射するようにしていた
ため、電子検出部に対し斜め方向から光を試料面に照射
できる位置に光源装置を配置しなければならず、特に試
料表面を走査するような場合には光源装置も一体に移動
させなければならないために装置構成が複雑になるとい
う問題があった。

更に光源からの光を光学系で絞って微小なビームスポッ
トを試料表面に照射して半導体パターン部分の膜厚を計
測するような場合、斜め方向からの光の照射となるため
にビームスポットが楕円状に広がり、円形のビームスポ
ットとならないためにスポット径を充分小さくすること
が困難であった。このような斜め方向から光を照射する
ことによる問題は、試料の特定部分に対してビームスポ
ットを照射する場合のみならず、光源からの光を拡大し
て試料の特定部分に照射する場合にも、照射範囲が照射
角度によって変化し、照射範囲を正確に設定できず、特
定の試料測定部分から放出される正確な電子数の計測が
できないという問題もあった。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
ので、電子検出部に対し光源側を分離配置することで電
子検出部の取り回しか自由にできると共に、試料表面に
対し直交する方向から光を照射してより正確な電子数の
計測ができるようにした電子計数装置を提供することを
目的とする。

この目的を達成するため本発明にあっては、電子検出部
に対し分離配置された光源装置からの光を光ファイバー
により電子検出部に導き、この光ファイバーを電子検出
部内を通して試料に相対して電子検出部の検出窓からフ
ァイバー先端を突出して試料表面に直交する方向から光
を照射し、このように光ファイバーを電子検出部内を通
すために電子検出部内に設けられている陽極を水平リン
グ構造にして水平陽極リングの中心を通るように光ファ
イバーを配置し、更に光ファイバーの先端面から所定距
離離れた位置に、光ファイバーからの照射された光を試
料表面の特定部分に照射する光学系と、試料に照射され
た光の反射光が電子検出部内に入射することを防ぐ遮蔽
部材とを設けるようにしたものである。

（作用） このような本発明の構成によれば、電子検出部の陽極を
水平リング構造とすることで光ファイバーの先端を電子
検出部内を通して検出窓から試料に対向した位置に突出
させて試料表面に直交する方向から光を照射することが
でき、また電子検出部の検出窓から突出した光ファイバ
ーの先端から所定距離離れた試料表面に近接した位置に
集光レンズや拡大レンズ等の光学系を配置できるため、
試料表面にミクロンオーダ又はそれ以下の光スポットを
形成したり、若しくは照射範囲を拡大した光スポットを
照射して広い試料表面の特定部分に光を照射できるよう
になる。

更に、ファイバー先端面から所定距離離れた位置に試料
表面からの反射光の電子検出部への入射を防ぐ遮蔽部材
が配置されているため、反射光が電子検出部内に入射す
ることによる不必要な電子の放出を防ぎ、正確な電子数
の計数ができる。

（実施例） 第１図は本発明の一実施例を示した説明図である。

まず構成を説明すると、１は電子検出部であり、下部に
検出窓２を開口した金属製のケース３を有し、このケー
ス３はアースされて陰極となる。ケース３内には水平リ
ング構造をもつ水平陽極リング４が配置され、水平陽極
リング４は、例えば３゜４ＫＶの高圧電源２３が接続さ
れる。水平陽極リング４とケース３の間には、例えば１
００Ｖの電圧が印加された第１格子電極５が設置され、
更に第１格子電極５とケース３の検出窓２に相対して配
置された試料１０との間には、例えば８０Ｖの電圧が印
加された第２格子電極６が設置される。

一方、１２は電子検出部１に対し分離配置された光源装
置であり、光源装置１２には光源１３、光源１３からの
光を単色化する分光器１４、分光器１４の前後に配置さ
れたスリット１５．１６が設けられ、スリット１５．１
６により光強度が調整された分光器１４からの単色光を
光ファイバー１８に入射している。

光源装置１２からの光の入射を受けた光ファイバー１８
の先端側は電子検出部１の内部中心を貫通して配置した
絶縁材料でなる円筒状のホルダ部材１９の中を通ってケ
ース３の検出窓２より試料１０側に突出して設けられて
いる。また、電子検出部１内に設けられる水平陽極リン
グ４はホルダ１９の周囲に導電性の支持線２０によって
水平状態に支持されており、この水平陽極リング４の中
心となるホルダ１９内を通って光ファイバー１８の先端
は試料１０に対向した検出窓２の外側に突出するように
配置されている。

更に、電子検出部１の検出窓２から突出された光ファイ
バー１８のファイバー先端１８ａから所定距離離れた位
置には、小型の集光レンズ２１が配置され、ファイバー
先端１８ａから照射された光源装置１２からの光を集光
して試料１０の表面にミクロンオーダ又はそれ以下の光
スポットを試料表面に直交する方向からの光の照射で形
成するようにしている。また、ファイバー先端１８ａに
対し所定距離離れた位置に集光レンズ２１を設置する支
持構造として、この実施例にあっては、ホルダ１９の先
端ををファイバー先端１８ａを越えて試料１０側に延在
し、この延在したホルダ１９の内部に集光レンズ２１を
嵌め込むことで、試料１０の表面に微小な光スポットを
形成できる焦点距離に相当する位置に集光レンズ２１を
支持できるようにしている。

更に、ホルダ１９の先端は集光レンズ２１の配置位置を
越えて試料１０側に延在されていることで、試料１０の
表面で反射された反射光が検出窓２から電子検出部１内
に入射してしまうことを防ぐ遮蔽部材としての機能を実
現しており、試料表面からの矢印Ａで示す反射光の反射
角θが検出窓２を外れる所定反射角以下となるようにホ
ルダ１９の先端を試料１０側に延在して遮蔽部材として
の機能を実現している。

一方、計測回路３０は、電子検出部１の水平陽極リング
４にコンデンサＣを介して接続された増幅器３１を備え
、増幅器３１と第１格子電極５との間には第１パルス発
生器３２が設けられる。この第１パルス発生器３２は水
平陽極リング４にパルス電圧が発生した時に、第１格子
電極５に例えば時間幅Ｔｅ　（５ｍＳ＞で３００Ｖの矩
形波パルスを送り、第１格子電極５の電圧を第２図（ｂ
）に示すように１００Ｖから４００Ｖに増加させる。

また、増幅器３１と第２格子電極６との間には第２パル
ス発生器３３が設けられ、この第２パルス発生器３３は
水平陽極リング４にパルス電圧が発生した時、例えば時
間幅Ｔｅ　（５ｍＳ＞で−１１０Ｖの矩形波パルスを第
２格子電極６に供給し、第２格子電極６の電圧を第２図
（Ｃ）に示すように８０Ｖから一３０Ｖまで低下させる
。　尚、第１及び第２のパルス発生器３２．３３で発生
する矩形波パルスの時間幅Ｔｅ及び波高電圧は任意に設
定することができる。

３４は増幅器３１の出力に接続された計数手段であり、
この計数手段３４は水平陽極リング４に発生するパルス
電圧の数を計数する。計数手段３４の出力は演算手段３
５に与えられ、演算手段３５としては、例えばマイ・ク
ロコンピユータが使用される。この演算手段３５による
演算機能は、計数手段３４における、例えば１秒間当り
の電子パルスのカウント数（計数率）をＮとすると、計
数手段３４の出力カウント数Ｎを受けて試料１０におけ
る薄膜１０ｂの膜厚Ｔを次式によって演算する。

ｌｏｇＮ＝ＩｏＯＮ　１−Ｔ／２．３０λ　・・・（１
）但し、λは薄膜内の電子の平均自由工程（オングスト
ローム）、Ｎ１は膜厚が零のときのカウント数（計数率
） 演算手段３５で求められた薄膜１０ｂの膜厚Ｔは、例え
ばＣＲＴ、プリンタ等の表示手段３６に送られ、表示手
段３６において演算手段３５の演算結果となる薄膜１０
ｂの膜厚Ｔが表示される。

次に第１図の実施例による膜厚計測動作を第２図の信号
波形図を参照して説明する。

まず試料１０として半導体集積回路を例にとると、シリ
コンから成る試料本体１０ａの表面に酸化シリコンから
成る薄膜１０ｂをもった半導体集積パターンが形成され
ており、このような半導体集積回路で成る試料１０を試
料台９の上に設置する。

次に、計測回路３０に設けた高圧電源２３から電子検出
部１の水平陽極リング４に、例えば第２図（ａ＞に示す
ように３．４ＫＶの高電圧を印加する。同時に電子検出
部１に対し分離配置された光源装置１２の光源１３から
の光を分光器１４によって単色光にすると共にスリット
１５．１６によってその光強度を調整し、光ファイバー
１８を介して試料１０に光ビームを照射する。

この光ファイバー１８による試料１０に対する光ビーム
の照射は、電子検出部１の内部を通して光ファイバー１
８を配置していることから、ファイバー先端１８ａから
の光は試料１０の表面に対し直交する方向から照射され
ることとなり、更にファイバー先端１８ａから所定距離
離れた位置に集光レンズ２１を配置しているため、ファ
イバー先端１８ａから出た光は集光レンズ２１で絞り込
まれ、試料１０の表面に１ミクロン又はそれ以下の微小
な光スポットを形成するように照射される。

このため、試料１０として半導体集積回路を測定対象と
しても、半導体集積回路の表面に形成されたサブミクロ
ンオーダの酸化膜パターンより小ざい光スポットを形成
することができ、酸化膜パターンの膜厚測定が可能とな
る。

ここで、試料１０は試料本体１０ａがシリコン、薄膜１
０ｂが酸化シリコンであるので、試料１０にエネルギー
を与える単色光は試料本体１０ａの光電的仕事関数以上
で且つ薄膜１０ｂの光電的仕事関数未満のエネルギーを
有する紫外光を使用する。

光ファイバー１８及び集光レンズ２１を介して試料１０
に照射された単色光の光スポットは、薄膜１０ｂを透過
後、試料本体１０ａの表面に光エネルギーを与え、試料
本体１０ａの表面から低エネルギーの光電子を放出させ
る。この時、単色光の有する光エネルギーが薄膜１０ｂ
の光電的仕事関数未満であるため、薄膜１０ｂから電子
は放出されない。

試料本体１０ａから放出された電子の一部は薄膜１０ｂ
を通り扱けて外部に放出される。即ち、試料本体１０ａ
から放出された電子のうち、運動エネルギーが小ざなも
のは薄膜１０ｂの中でエネルギーを失って薄膜１０ｂの
中に留まる。一方、大きな運動エネルギーを持つものは
薄膜１０ｂを通り扱けて外部に放出される。

ここで、薄膜１０ｂを通り扱けることのできる電子の数
は膜厚が厚くなるに従い電子から運動エネルギーを多く
奪うため、徐々に減少する。

即ち、試料本体１０ａに与えられるエネルギーが一定で
放出電子数が一定であるならば、薄膜１ｏｂの膜厚が厚
くなるに従い、薄膜１０ｂを通り後けられる電子数が減
少し、膜厚と通り扱けられる電子数との間に前記第（１
）式の関数関係が成立する。また、試料本体１０ａから
放出された電子の薄膜１０ｂ内での平均自由工程は、一
般に数十オングストローム程度であるため、膜厚が極め
て薄いオングストロームオーダのものを計測する０′！
″″゛１８６・　　　　／ このように薄膜１０ｂを通り後けて試料１０の外部に放
置された電子は、検出窓２から電子検出部１内に入り、
第２格子電極６及び第１格子電極５を通過し、水平陽極
リング４に引き寄せられる。

放出電子が水平陽極リング４に近づくと、水平陽極リン
グ４の近傍には高電圧によって強い電界が発生している
ため、この電界により電子が加速されて気体放電現象を
引き起こす。この結果、気体放電により水平陽極リング
４に印加されている電圧は第２図（ａ）に示すように低
下し、電圧パルスが発生する。

水平陽極リング４に発生した電圧パルスは増幅器３１で
増幅後、第１パルス発生器３２及び第２パルス発生器３
３に与えられ、それぞれ矩形波パルスを発生する。即ら
、第１パルス発生器３２は電圧が３００Ｖで時間幅がＴ
ｅの矩形波パルスを発生して第１格子電極５に印加し、
第１格子電極５の電圧を１００Ｖから４００ＶにＴｅ時
間だけ増加させる。この結果、水平陽極リング４と第１
格子電極５との間の電位差が３００Ｖだけ低下し、これ
によって気体放電作用により発生した光や陽イオンによ
る二次電子は放電電圧に達することができず、なだれ的
な放電増幅が阻止される。

一方、第２パルス発生器３２は時間幅がＴｅで電圧が一
１１０Ｖの矩形波パルスを第２格子電極６に印加し、第
２格子電極６の電圧を８０Ｖから一３０Ｖに下げる。こ
の結果、増幅作用を伴う気体放電によって発生した陽イ
オンが第２格子電極６で捕捉されて中和され、これによ
って陽イオンが試料１０の薄膜１０ｂ及び試料本体１０
ａに到達して低エネルギー電子の放出作用に影響を及ぼ
すごとを防ぐ。また、外部からの電子が電子検出部１内
に入射するのを遮蔽する。

このようなパルス発生によりＴｅ時間が経過すると、第
１及び第２の格子電極５，６の電圧がちとに戻り、電子
検出部１は再び試料１０からの放出電子を検出できる状
態となり、試料１０からの放出電子を捕捉する毎に同じ
動作を繰り返す。

一方、計測回路３０における計数手段３４には、増幅器
３１からの電圧パルスが与えられており、このパルス数
を計数することで試料本体１０ａから放出され、薄膜１
０ｂを通り扱けてきた電子数を計数し、この計数結果、
例えば計数率を演算手段３５に出力する。演算手段３５
は前記第（１）式に基づいた演算を実行して膜厚Ｔを求
め、表示手段３６により計測した膜厚Ｔを表示する。

一方、光ファイバー１８を通してファイバー先端１８ａ
から集光レンズ２１を介して試料１０の表面に光スポッ
トを照射した時、試料１０の表面からの反射光が矢印Ａ
に示すように電子検出部１側に反射するようになるが、
光ファイバー１８を収納したホルダ１９を集光レンズ２
１を越えて試料１０の表面に近接した位置まで延在して
いるため、試料１０からの反射角θはホルダ１９の先端
で定まる反射角となり、矢印Ａで示す反射光が検出窓２
を通って電子検出部１の内部に入射することを防いでい
る。

即ち、電子検出部１の内部に試料１０の表面からの反射
光が入射すると、試料１０に光ビームを照射したと同様
に反射光を受けた電子検出部１のケース３や第１及び第
２格子電極５，６から低エネルギー電子が外部に放出さ
れ、この反射光により放出される低エネルギー電子が水
平陽極リング４に引き寄せられて気体放電現象を起こす
ことで誤った電圧パルスを発生するが、第゛１図の実施
例におっては、試料表面からの反射光を電子検出部１内
に入射しないように光ファイバー１８を収納したホルダ
１９の先端を延在しているため、反射光によるノイズ分
としての電子放出を防いで膜厚計測精度を高めることが
できる。

第３図は、光ファイバーの先端面から所定距離離れた位
置に配置される光学系統の他の実施例を示した説明図で
あり、この実施例にあっては光ファイバー１８から照射
された光をホルダ１９内に設けた拡大レンズ４０で広げ
て試料１０の表面に照射するようにしたことを特徴とす
る。

即ち、試料表面の傷等を光の照射による放出電子数の変
化から検出するような場合には、試料表面のある程度広
い範囲に光を照射する必要があり、このような場合に光
ファイバー１８からの光を拡大レンズ４０で広げて照射
するようになる。

また、この実施例にあっても拡大レンズ４０の位置を越
えてホルダ１９の先端が試料１０側に延在されており、
試料１０の表面で反射した光がホルダ１９の先端で遮ら
れて電子検出部１内に入射しないようにしている。

尚、遮蔽部材としては、上記のようにホルダ１９の先端
を延在させる他に、ホルダ１９の先端に円板状又は傘状
の遮蔽部材を別途装着するようにしても良い。

（発明の効果） 以上説明してきたように本発明によれば、電子検出部内
に設けられる陽極を水平リング構造とすることで電子検
出部に対し分離配置された光源装置からの光を試料表面
に導く光ファイバーを水平リング構造の陽極リングの中
心を通し、電子検出部内を通した光ファイバーのファイ
バー先端を検出窓から突出させて試料表面に直交する方
向から光を照射し、更に電子検出部の検出窓から試料側
に突出している光ファイバーの先端から所定距離離れた
位置に、光ファイバーから照射された光を試料表面の対
応部分に照射する光学系と、試料表面からの反射光が電
子検出部内に入射することを防ぐ遮蔽部材とを設けるよ
うにしたため、試料に相対して電子検出部を配置してい
ても、電子検出部内を通る光ファイバーによって試料表
面に直交する方向から光を照射することができ、また、
試料表面に直交する方向からの光の照射であることから
ファイバー先端の所定距離離れた位置に集光レンズを配
置することで光ビームを集光して試料表面にミクロンオ
ーダ若しくはそれ以下の光スポットを形成することがで
き、このような微小な光スポットの形成により、微細薄
膜パターンが形成された半導体集積回路における酸化膜
パターン等の膜厚計測を正確に行なうことができる。ま
た光学系統として拡大レンズを配置した場合には光ファ
イバーから照射された光を拡大して試料表面に照射する
ことができ、試料表面の傷などの検出に最適な光の照射
状態を作り出すことができる。

また、電子検出部内に設ける陽極を水平リング構造とし
て水平に取り付けることにより光ファイバーを電子検出
部の中心を通して試料表面に光を照射できるように配置
する構造が実現されるため、従来のように電子検出部の
周囲に斜め方向から光を照射する光学系の配置構造が不
要となり、電子検出部との一体化で検出部の小型化を計
ることができる。更に、陽極リングを水平リング構造と
することで、陽極リングにより電子検出部内に発生する
高電界の対称性が得られ、試料放出電子を確実に捕えて
電子計測のための放電状態を作り出すことができる。

更に、光ファイバー先端面から所定距離離れた試料側の
位置に遮蔽部材を設けているため、試料表面からの反射
光の電子検出部への入射を防ぐことができ、反射光によ
る計測ノイズを低減して精度の高い電子計測を行なうこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示した説明図、第２図は電
子検出部の動作信号の波形図、第３図は光ファイバーの
先端側に配置される光学系の他の実施例を取出して示し
た説明図である。 １：電子検出部 ２：検出窓 ３：ケース ４：水平陽極リング ５：第１格子電極 ６：第２格子電極 ９：試料台 １０：試料 １０ａ：試料本体 １０ｂ：薄膜 １２：光源装置 １３：光源 １４：分光器 １５．１６：スリット １８：光ファイバー １８ａ：ファイバー先端 １９：ホルダ ２０：支持線 ２１：集光レンズ ２３：高圧電源 ３０：計測回路 ３１：増幅器 ３２：第１パルス発生器 ３３：第２パルス発生器 ３４：計数手段 ３５：演算手段 ３６：表示手段 ４０：拡大レンズ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 試料に光を照射し、該試料から放出される電子を電子検
   出部内に導入して電子の数を計数する電子計数装置に於
   いて、 前記電子検出部に対し分離配置された光源装置からの光
   を試料表面に照射する光ファイバーを有し、該光ファイ
   バーを前記電子検出部内を通して試料に相対した電子検
   出部の検出窓から光ファイバー先端を突出して試料表面
   に直交する方向から光を照射するように配置し、電子検
   出部内の陽極を水平リング構造として該水平陽極リング
   の中心を通るように前記光ファイバーを配置し、更に前
   記光ファイバーのファイバー先端面から所定距離離れた
   位置に、光ファイバーから照射された光を試料表面に照
   射する光学系と、試料に照射された光の反射光が前記電
   子検出部内に入射することを防ぐ遮蔽部材とを設けたこ
   とを特徴とする電子計数装置。