JP2001325912A - 電子ビーム検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電子ビーム検査装置において、分解能の低下を
生じさせることがなく、簡単な構造で試料汚染を防止す
る。 【解決手段】電子ビーム検査装置は、試料室に置かれた
試料に電子銃室の電子銃から電子線を照射し、試料から
発生する二次電子および反射電子を検出することによ
り、試料の形状観察または寸法測定を行う。このような
電子ビーム検査装置において、試料室に酸素の活性種を
生成する手段を設け、試料室内に残留しているハイドロ
カーボン系ガスを、酸素の活性種により酸化し二酸化炭
素（ＣＯ₂ ）および水（Ｈ₂Ｏ）へ分解させ、ハイドロ
カーボン系ガスを試料室内から無くし、試料汚染を低減
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子ビーム検査装置
に係わり、特に半導体装置等の検査を行うのに好適な電
子ビーム検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子ビームを試料上に走査して、得られ
た二次電子像または反射電子像により試料上に形成され
たパターンまたはコンタクトホールの寸法および形状を
測定・観察する電子ビーム検査装置は、半導体素子の微
細化が進むにつれて、その役割の重要性が増している。

【０００３】一方、古くから知られていることだが、電
子顕微鏡を用いて観察を行う際には、試料の電子線を照
射した部分に汚染物が付着する。例えば文献SpecimenPr
otection in the Electron Microscope（HEYWOOD J A,P
ract Metallogr 19（1982)465）にあるように、試料汚
染の原因となるのは、試料に吸着していたハイドロカー
ボン系ガス分子と、装置の残留ガス中のハイドロカーボ
ンの試料への吸着によるものが考えられる。いずれの場
合も、吸着ガスが電子線エネルギーを受けることにより
固体化すると言われている。

【０００４】このように試料表面に汚染物が付着した場
合、最表面に観察されるのは汚染物の表面であるため、
真の表面の像を捕らえることはできなくなる。半導体装
置の検査装置の場合は、寸法計測，外観検査が目的であ
るため、検査中に汚染物が付着し、寸法，形状が変化し
てしまうことは重大な問題である。事実、半導体の検査
装置である電子ビーム測長装置においては、パターンの
寸法計測の際にコンタクトホール径が小さくなるなどの
問題が生じている。

【０００５】特に、近年半導体の微細化が進み、サブミ
クロンオーダーのパターンやコンタクトホールの寸法計
測，形状観察が行われるようになり、倍率を数万〜十数
万倍の高倍率で観察する場合もある。このような高倍率
で観察した場合、汚染物の付着量はパターンの１０％程
度に、例えば、０.５ μｍのパターンに対して数十ｎｍ
というレベルになることもある。たとえば、微小コンタ
クトホールであれば、電子線を照射することによりホー
ル径が小さくなりホールが塞がってしまうという問題も
起こるため、製品の不良原因にもつながる。

【０００６】このような、走査型電子顕微鏡における試
料汚染の防止に関する従来技術としては、特開平5−820
62号公報や、特開平10−64467 号公報に開示されたもの
がある。

【０００７】特開平5−82062号公報では、試料汚染防止
装置の冷却板を断熱体とバネを介して対物レンズに取り
付け、対物レンズ下面および試料自体から放出されたガ
スを冷却板で吸着しトラップするものである。冷却によ
り試料汚染を防止するという方法は現在最も一般的な方
法であり、試料近傍のガスをトラップする、すなわち試
料近傍に存在するガス分子の数を減少させることによっ
て、試料汚染を防止するというものである。

【０００８】また、特開平10−64467 号公報では、電子
ビーム照射によって試料から発生したハイドロカーボン
系のガス等が鏡体内に蓄積して、試料汚染の原因となる
ので、鏡体と試料室の間を真空的に隔絶するような隔離
膜を設けて試料汚染を防止している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平5−82062号公報に開示された技術では、冷却トラッ
プされるのは主に水（Ｈ₂Ｏ）や窒素（Ｎ₂）であり、ハ
イドロカーボンをトラップする効率は良くない。試料汚
染はハイドロカーボンを主体とするガス成分が、電子線
からエネルギーを受けることにより重合して膜となり試
料表面上に付着する現象であり、ハイドロカーボンを効
率良くトラップできるものでなければ、試料汚染を効果
的に防止することはできない。

【００１０】さらに、冷却板を冷却するための冷媒とし
ては一般に液体窒素や水などが用いられるが、液体窒素
などの冷媒を使用する場合には冷却槽を設けなければな
らないし、水であれば配管を設けなければならないな
ど、構造が複雑化する欠点がある。

【００１１】また、特開平10−64467 号公報に開示され
た技術では、鏡体と試料室とを真空的に隔絶するだけで
あるので、試料汚染防止の十分な効果を期待することは
できない。すなわち、試料汚染の原因となる残留ガスは
鏡体の中だけでなく、むしろ試料室内に多く存在してお
り、試料室内の残留ガスについては何も対策がなされな
いため、試料汚染防止の十分な効果を得ることはできな
い。

【００１２】また、この方法では、試料には隔離膜を通
過した一次電子のみが照射されるが、大部分の一次電子
は膜中に拡散，吸収されてしまうため、プローブ電流
（照射ビームのエネルギー）が低下し、結果的に分解能
が低下するという欠点もある。

【００１３】本発明の目的は、分解能の低下を生じさせ
ることがなく、簡単な構造で試料汚染を防止することが
できる電子ビーム検査装置を提案することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、電子ビーム
検査装置において、観察対象である試料を設置する試料
室に、酸素の活性種を生成する手段を備え、酸素活性種
の原料となる酸素ガスを供給し、かつ生成された活性種
をガス流れにより試料室に輸送する酸素ガスの導入手段
を備えることにより達成される。

【００１５】また、上記目的は、試料室に質量分析装置
を設け残留ガスの分析を行い、ある質量数の範囲の分圧
が、設定値を超えた場合に酸素活性種を試料室内に流す
ことにより達成される。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に従って説明する。

【００１７】（実施の形態１）図１は本発明に係わる電
子ビーム検査装置の概略構成を示している。図１におい
て、電子銃室１，コンデンサレンズ室２，試料室３が縦
方向に配置され、コンデンサレンズ室２と試料室３の間
には中間室４が設けられている。また、試料室３に隣接
して予備排気室５が配置され、この予備排気室５の上部
には試料交換室６が設けられている。

【００１８】電子銃室１には、電子銃７，引出電極８，
加速電極９および固定絞り１０が、コンデンサレンズ室
２にはコンデンサレンズ１１が、中間室４には偏向コイ
ル１２，対物レンズ１３および対物レンズ固定絞り１４
が各々設けられている。また、試料室３には試料ホルダ
１５が設けられ、この試料ホルダ１５の上に試料１６が
載置される。試料室３と予備排気室５との間にはゲート
バルブ１７が設けられ、このゲートバルブ１７を開いた
ときには、試料ホルダ１５は試料室３と予備排気室５の
間を行き来できる。予備排気室５と試料交換室６との間
には開口部１８がある。

【００１９】電子銃室１には真空ポンプ１９，２０が、
コンデンサレンズ室２には真空ポンプ２１がそれぞれ接
続され、鏡体が電子源７から安定した電子線を得るため
に真空ポンプ１９，２０，２１で差動排気され、これに
よって、電子銃室１およびコンデンサレンズ室２は１０
^-7Ｐａ以下の圧力に減圧されている。試料室３には真空
ポンプ２２が接続され、１０^-3Ｐａ以下に真空排気され
ている。さらに予備排気室５には真空ポンプ２３が接続
され、予備排気室５は１０^-2Ｐａ以下に真空排気されて
いる。

【００２０】また、中間室４には、電子銃７からの電子
ビームＢ１を試料１６に照射したときに、試料１６表面
からの二次電子または反射電子Ｂ２を検出する反射電子
・二次電子検出器２４が取り付けられている。試料室３
には、本実施の形態の特徴部分である酸素活性種生成装
置２５が取り付けられている。

【００２１】なお、２６は試料室３と中間室４とを連通
する排気バイパスである。

【００２２】上記構成の電子ビーム検査装置において、
試料ホルダ１５上に試料１６をセットする場合、試料ホ
ルダ１５は予備排気室５内に存在し開口部１８の真下に
ある、ゲートバルブ１７は閉じた状態である。予備排気
室５および試料交換室６は真空排気されており、開口部
１８の真下にある試料ホルダ１５は上昇し開口部１８を
塞ぐ。つぎに試料交換室６のみを大気開放し試料ホルダ
１５上に試料１６を載置する。

【００２３】試料１６を観察するため試料室３まで搬送
する時は、試料交換室６を粗引きポンプ（図示しない）
で排気し、その後、試料ホルダ１５の下降と共に予備排
気室５まで搬送される。予備排気室５内が１０^-2Ｐａ以
下に真空排気されたら、ゲートバルブ１７を開けて、試
料１６を上面に載せた状態で試料ホルダ１５を、ゲート
バルブ１７を介して、試料室３に搬送する。試料室３内
では試料ホルダ１５は電子銃７のほぼ真下に位置させ
る。そして、ゲートバルブ１７を閉じてから、真空ポン
プ２２によって試料室３内を１０^-3Ｐａ以下に真空排気
する。

【００２４】試料室３内が１０^-3Ｐａ以下に真空排気さ
れたら、電子銃７から電子ビームＢ１が、引出電極８に
印加された電圧により引き出され、その引き出された電
子ビームＢ１は加速電極９に印加された加速電圧により
所望のエネルギーに調整される。さらに、電子ビームＢ
１は固定絞り１０を通過した後、コンデンサレンズ１
１，対物レンズ１３により試料１６上に収束される。収
束された電子ビームＢ１は変更コイル１２により試料１
６上を走査する。このとき、試料１６表面からは二次電
子および反射電子Ｂ２が発生し、これら二次電子および
反射電子Ｂ２は反射電子・二次電子検出器２４によって
検出され、試料像を得ることができる。

【００２５】ところで、電子線Ｂ１を照射することによ
り、ハイドロカーボンを主体とする残留ガス成分が、電
子線からエネルギーを受けてカーボンを含む汚染膜とな
って試料１６の表面に徐々に堆積する。堆積量はごくわ
ずかであるが、数万倍以上の高倍率観察の場合には、実
際に見たい表面とは別のものを観察していることにな
る。

【００２６】先に述べたように、走査型電子顕微鏡にお
ける試料汚染は、ハイドロカーボンを主体とする残留ガ
ス分子が、電子線からエネルギーを受けて重合すること
によって起こる。したがって、試料汚染を防止するに
は、ハイドロカーボンを主体とする残留ガス分子を低減
する必要がある。残留ガスとしては、試料近傍のガスの
ことであり、試料室３内に残留ガスが最も注目される。
試料室３のガスとしては、試料室３の内壁からの放出ガ
スの他各種部品からの放出ガスが有り、特に樹脂材料等
からは多くのハイドロカーボンガスが放出される。ま
た、試料に吸着していたガスが脱離し試料室３内のハイ
ドロカーボン系残留ガスになることも考えられる。この
場合、試料の導入回数によってハイドロカーボン系残留
ガスが徐々に増加することになる。

【００２７】本発明によれば、電子ビーム検査装置には
試料室３に酸素活性種生成装置２５が取り付けられてい
る。バルブを開けて酸素ガスを導入し、酸素活性種が生
成される。さらに酸素ガスの流れによって、酸素活性種
を試料室３内に導入し試料室３内にまんべんなく行きわ
たらせることができる。その結果、試料観察の際に試料
汚染を無くすることができる。このとき、酸素活性種を
生成する手段はどのような方法でもよく、たとえば酸素
ガスをプラズマによって解離させる方法がある。

【００２８】酸素活性種を導入することによって、試料
室３内のハイドロカーボン系ガスは次のように分解され
る。ハイドロカーボン系ガスはいくつかの炭素（Ｃ）と
いくつかの水素（Ｈ）が化合したものであり、それぞれ
をｘ個，ｙ個とするとＣ_xＨ_yの形で表される。該ハイド
ロカーボン系ガスに酸素活性種が加わると、酸素活性種
の酸化作用により二酸化炭素（ＣＯ₂）および水（Ｈ
₂Ｏ）へ分解される。このため、試料室３内のハイドロ
カーボン系ガスは除去することができる。すなわち、Ｃ
_xＨ_y＋Ｏ⇒ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏの反応が起こる。

【００２９】（実施の形態２）図２は本発明の実施の形
態２を示している。本実施の形態では、酸素活性種生成
装置２５の動作は、本発明の特徴である試料室３に取り
付けた質量分析装置２９によって試料室３内の残留ガス
分析を行い、分析結果を制御装置３０でハイドロカーボ
ン系ガスの有無や量の判断処理を行い、その結果を表示
器３１に表示させ、制御装置３０による自動運転あるい
は手動で酸素活性装置２５を運転する。このとき質量分
析装置２９は試料室３内のガスを測定・分析できればよ
いので、取付位置は上下面，側面を問わない。また、酸
素活性種の導入位置についても試料室３の上下面，側面
のいずれでもよい。

【００３０】試料の汚染源であるハイドロカーボン系ガ
スは、質量数５０以上に多く検出されるものである。酸
素活性種生成装置の自動運転を行う場合は、たとえば質
量数１から２００まで測定できる質量分析装置を用いた
とき、質量数５０から２００まで存在量の合計値を求
め、その値が任意に定めた量以上になったらバルブ２７
を開け酸素供給源２８より酸素を送る。つぎに酸素活性
種生成装置２５の運転を開始し、酸素活性種を生成し試
料室３内へ導入する。これら酸素活性種生成装置２５の
運転およびバルブ２７の開閉を制御装置３０で自動で制
御する。このとき酸素活性種生成装置２５を先に運転を
開始し、その後バルブ２７を開け酸素を導入してもよ
い。また、手動運転においても酸素活性種生成装置２５
の運転開始とバルブ２７を開ける動作の順序は、どちら
が先になってもよい。試料室３内への酸素活性種の供給
は、質量分析装置で測定した質量数５０から２００まで
の存在量の値が、任意に定めた値より低くなるまで続け
る。

【００３１】（実施の形態３）図３は本発明の実施の形
態３を示している。本実施の形態では、試料室３と酸素
活性種生成装置２５の間に可変バルブ３２が設けてあ
る。他の構成は実施の形態１の場合と同様である。前述
したように、試料室３内は真空ポンプ２２で１０^-3Ｐａ
以下の圧力に排気されている。該可変バルブ３２により
酸素活性種の導入量を調節することができるので、試料
室３内の大きな圧力上昇を押さえターボ分子ポンプ２２
への過負荷を防ぎ、該ターボ分子ポンプ２２の損傷を防
止しながらハイドロカーボン系ガスの分解を行うことが
できる。また、該可変バルブ３２を閉じた状態であれ
ば、酸素活性種生成装置２５間の接続部より切り離すこ
とができ、酸素活性種生成装置２５が故障した場合でも
試料室３を大気へ開放すること無く酸素活性種生成装置
２５を交換することができる。なお、該可変バルブ３２
の開閉は制御装置３０による自動制御でも、手動操作で
もよい。

【００３２】上記実施の形態１から３では、常に電子ビ
ーム検査装置に酸素活性種生成装置２５を取り付けた状
態について説明したが、酸素活性種生成装置２５は必要
なときに取り付け稼働させてもよい。たとえば、電子ビ
ーム検査装置を製作直後やメンテナンス時、または質量
分析装置２９で測定したハイドロカーボン残留量が任意
に設定した値を超えたときに、取り付けて稼働させ試料
室３内のハイドロカーボン系ガスを分解してもよい。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
酸素活性種生成手段を設けたので、試料室内のハイドロ
カーボン系ガス等を効果的に除去することができ、試料
の寸法計測，形状観察をする際の汚染物付着による分解
能低下を回避することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１による電子ビーム検査装
置の全体構成図である。

【図２】本発明の実施の形態２による電子ビーム検査装
置の全体構成図である。

【図３】本発明の実施の形態３による電子ビーム検査装
置の全体構成図である。

【符号の説明】

１…電子銃室、２…コンデンサレンズ室、３…試料室、
４…中間室、５…予備排気室、６…試料交換室、７…電
子銃、８…引出電極、９…加速電極、１０…固定絞り、
１１…コンデンサレンズ、１２…偏向コイル、１３…対
物レンズ、１４…対物レンズ可動絞り、１５…試料ホル
ダ、１６…試料、１７，１８…ゲートバルブ、１９〜２
３…真空ポンプ、２４…反射電子・二次電子検出器、２
５…酸素活性種生成装置、２６…排気バイパス、２７…
バルブ、２８…酸素供給源、２９…質量分析装置、３０
…制御装置、３１…表示器、３２…可変バルブ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｊ 37/16 Ｈ０１Ｊ 37/16 (72)発明者 清水 実 茨城県ひたちなか市大字市毛882番地 株 式会社日立製作所計測器グループ内 Ｆターム(参考） 2F067 AA21 AA54 BB01 BB04 CC17 FF03 HH06 JJ05 KK04 LL00 TT02 TT07 2G001 AA03 BA07 BA15 CA03 GA06 GA16 PA02 PA07 5C001 AA08 CC04 DD01

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料室に置かれた試料に電子銃室の電子銃
   から電子線を照射し、前記試料から発生する反射電子お
   よび二次電子を検出することにより、前記試料の形状観
   察または寸法測定を行う電子ビーム検査装置において、
   前記試料室には、酸素の活性種を生成する手段を設け、
   原料となる酸素ガスを供給し、かつ生成された酸素活性
   種をガス流れにより前記試料室に輸送する酸素ガス供給
   手段を備えたことを特徴とする電子ビーム検査装置。