JP2002313273A

JP2002313273A - 電子顕微鏡装置

Info

Publication number: JP2002313273A
Application number: JP2001117607A
Authority: JP
Inventors: Taku Oshima; 卓大嶋; Hideo Todokoro; 秀男戸所; Hiroyuki Shinada; 博之品田; Satoru Fukuhara; 福原　　悟; Mari Nozoe; 真理野副
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-04-17
Filing date: 2001-04-17
Publication date: 2002-10-25

Abstract

(57)【要約】【課題】リターディングやブースティングを大きくかけ
ずに低加速でも分解能の高い電子顕微鏡を構成する。【解決手段】単色性のよいホトカソードを電子源に用い
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子顕微鏡に係り、
特に半導体装置などの微細パターンの観察や測定に好適
な走査型電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、
電界放出型もしくは熱電界放出型の電子源から放出され
る電子線を加速し、電子レンズで細い電子ビームとし、
これを一次電子ビームとして走査偏向器を用いて試料上
に走査し、得られる二次電子あるいは反射電子を検出し
て像を得ていた。

【０００３】走査型電子顕微鏡は半導体装置の検査など
にも用いられるが、この場合には試料への電子線による
ダメージを防ぐ、あるいは表面のチャージアップを低減
するなどために、試料に入射する電子線のエネルギを１
ｋＶ前後の低加速とする必要がある。ところが、このよ
うな低加速の電子線に対しては電子レンズ（特に対物レ
ンズ）における色収差が大きくなり、パターン観察の精
度が低下する。

【０００４】このため、従来においては特開平０９−１
７１７９１号公報のように、（１）検査試料に負の電位
（リターディング電圧）を与え、電子銃からは高速の電
子を放出し、電子光学系を抜けて試料上に入射する際に
減速して１ｋＶ前後の低加速にするリターディング、
（２）対物レンズ付近に加速電極を設け、正の電位（ブ
ースティング電圧）を与え、電子が対物レンズを通過す
る時だけ加速するブースティングなどの手法が用いられ
てきた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術では電子源
から放出される電子線のエネルギ分布が０．４ｅＶ以上
ある。電子レンズの色収差はΔＥ／Ｅに比例する。ここ
でΔＥは電子線のエネルギ幅、Ｅは電子レンズを通過す
るときの電子エネルギである。

【０００６】色収差を低減し、より高分解能化するため
の一つの解決手段は、上記Ｅの値を大きくすることであ
る。例えば、−１０ｋＶの加速電圧Ｖ０で電子を引出
し、さらに対物レンズ中はブースティング電極をおき、
＋１０ｋＶのブースティング電圧Ｖｂで加速する。これ
によりＥは２０ｋＶとなり、１ｋＶの加速と比べて色収
差は１／２０に低減される。一方、試料に入射する電子
線が１ｋＶとなるように基板に−９ｋＶのリターディン
グ電圧Ｖｒを印加する。この方法で最終的な加速（Ｖ０
−Ｖｒ）を１ｋＶとしたときの分解能、２〜３ｎｍが得
られる。

【０００７】ところが、さらに高分解能化しようとして
ＶｒとＶｂを大きくしていくと、試料表面とこれに対向
するブースティング電極との間の電圧Ｖｂ−Ｖｒが２０
ｋＶ以上と極めて大きくなり、放電による試料表面の破
壊が起きやすくなるという問題が生じ、低加速走査電子
顕微鏡のリターディングおよびブースティングによる高
分解能化には限界があった。

【０００８】また、従来の電子顕微鏡に用いられている
電子源では、電子光学系の条件を変えること無しに電子
ビームの電流量や断面形状を変えることはできなかっ
た。

【０００９】本発明の第１の目的は低加速でも高分解能
の電子顕微鏡を提供することにある。本発明の第２の目
的はホトカソード用いた、高機能の電子線検査装置を提
供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記第１の目
的を達成するために、真空中にあって励起光の入射によ
り電子を放出する手段であるホトカソードと、入射する
励起光の光源装置と、発生する電子を引き出す引き出し
電極および、ホトカソード上に集光する集束レンズ、光
収束確認手段、ホトカソード表面清浄化手段、ホトカソ
ード表面活性化手段、引き出し電極、差動排気構造電子
銃、少なくとも２つの電子レンズ、電子線の偏向器、基
板試料室、基板試料移動ステージからなり、試料に入射
する電子線を低加速５００〜２０００Ｖで観察すること
を特徴とする電子顕微鏡装置とする。

【００１１】上記において、ホトカソードは、負の電子
親和力を利用したものが好ましく、材料は、ｐ型半導体
で、ＧａＡｓ，ＡｌＡｓ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＧａＰ，
ＧａＮ等のIII−Ｖ族もしくはＳｉ，Ｃ，Ｇｅ等のIV族
もしくはこれらの混合物で構成される。表面吸着層はＣ
ｓ，Ｎａ等のアルカリ金属もしくは、Ｃｓ，Ｎａ等のア
ルカリ金属と酸素、もしくはＢａ等のアルカリ土類と酸
素、もしくはこれらの混合物で構成される。

【００１２】また、本発明は上記第２の目的を達成する
ために、上記構成に加えて試料観察中に励起光の強度を
変えることで電子線の電流量を変化させる、あるいはホ
トカソード上の励起光の照射領域を変える手段を設ける
ことで、電子線の空間的時間的形状を変化させる。

【００１３】

【発明の実施の形態】（実施例１）図１に本発明の一実
施例による電子顕微鏡の概略構成を示す。電子源として
のホトカソード１と引き出し電極２で電子銃部分が構成
される。光源装置８からの光を集光レンズ５で上記ホト
カソード１上に収束照射し、上記ホトカソード１の上記
光照射部から電子を放出させ、ホトカソード１には加速
電圧Ｖ０を印加し、対向する引き出し電極２の電位Ｖｅ
ｘとの電位差で電子を加速し、差動排気穴１０３を通し
て電子線を電子線光学系に入射させる。

【００１４】上記電子線を、第１コンデンサレンズ１
２、第１アパーチャ１６、第２コンデンサレンズ１３、
第２アパーチャ１７および対物レンズ１４を通過させる
ことにより微細な径のビームに絞り、試料２１の表面に
照射する。試料２１は、移動ステージ２４上に絶縁台２
３を介して設置された試料固定台２２に固定される。

【００１５】上記試料２１に電子を減速する電位Ｖｒを
与え、試料に入射する電子のエネルギ（Ｖ０−Ｖｒで与
えられる）を５００から２０００ｅＶとなるように調整
する。ここで、上記Ｖ０は−１０００から−３０００Ｖ
で用いることが望ましい。

【００１６】試料２１から発生する二次電子および反射
電子を、速度弁別器２０により入射電子の軸上から外
し、電子検出器１９および反射電子検出器２９で検出す
る。偏向器１５で入射電子線を掃引し、これと同期して
上記二次電子強度および反射電子強度を表示すること
で、走査電子顕微鏡象を得る。

【００１７】本実施例では、電子源から放出される電子
のエネルギ分布が０．２ｅＶ以下、最適条件では０．１
ｅＶ以下と、極めて単色性がよい。このため、図７に示
すように、ブースター電極１８に印加するブースト電圧
Ｖｂを大きくしなくても、対物レンズ１４における電子
の色収差を小さくでき、Ｖｂ＋Ｖｒを−２０ｋＶから０
Ｖの条件で使うことができる。この場合、試料２１表面
での異常放電を抑えて解像度１ｎｍ程度の高分解能で試
料観察を行うことができる。

【００１８】また、上記構成において−１０Ｖ＜Ｖｂ＋
Ｖｒ＜１０Ｖとすると、いっそう放電防止効果がある。
この場合、加速電圧８００から１０００Ｖで、分解能
１．５ｎｍ程度が可能となる。このようにして得られる
電子線のエネルギ幅は、０．１ｅＶ程度となるので、さ
らにリターディング、ブースティングを加えることによ
り１ｎｍ以下の分解能が可能となる。この時の電界の条
件は、電子源からの加速電圧Ｖ０（≦０Ｖ）に対して、
絶縁板を介して移動ステージに掲載された試料基板にリ
ターディング電圧Ｖｒ（≦０Ｖ）を印加してなる構成に
おいて、Ｖ０−Ｖｒを−５００〜−２０００Ｖかつ、Ｖ
ｒを０〜−２０ｋＶの範囲とし、ブースティングをかけ
る場合は、Ｖｂ＋Ｖｒを０〜−２０ｋＶの範囲にするこ
とが重要である。これを超えると試料表面に大きな電界
がかかり、試料を破壊しやすくなる。

【００１９】図３に本実施例で用いる電子源の構成例を
示す。光源装置８が光源取付台１１を介して真空容器１
０に取り付けられている。取付台１１は、必要に応じて
微動調整機構を持たせることができる。光源装置８から
発生した平行光６は窓７を通り、対物レンズ５で収束光
４となり、ホトカソード１に焦点を結ぶ。ホトカソード
１はガラス等の透明基板１０１上にＧａＡｓ／ＡｌＧａ
Ａｓホトカソード膜１０２を貼り付けたものである。

【００２０】上記ＧａＡｓ層は厚さ１μｍ以下で、不純
物としてＺｎを５×１０^１８／ｃｍ ^３個程度ドープした
ｐ型半導体であり、このＧａＡｓ表面にはＣｓと酸素が
吸着し、表面の仕事関数が１．４ｅＶ以下となってい
る。このホトカソード膜１０２に光を入射すると、負の
電子親和力（ＮＥＡ：Negative electron affinity）
効果により電子が真空中に放出される。上記入射光はバ
ンドギャップエネルギ（ＧａＡｓの場合１．４ｅＶ）よ
り大きなエネルギが必要であり、この場合波長８８０ｎ
ｍ以下が条件である。実用的にはレーザダイオードやレ
ンズ群がそろっている波長６００〜７８０ｎｍの光が最
適である。

【００２１】また、Ｃｓと酸素の表面吸着層がより少な
く、仕事関数が１．４ｅＶ以上でも電子放出が得られ
る。この場合、単色性のよい電子線が得られる。そのよ
うな場合、電子放出面の仕事関数（φｂ）が上記ｐ型半
導体のバンドギャップエネルギ（Ｅｇ）より１ｅＶ以上
大きくなると、放出電子量が激減するため、表面吸着層
は仕事関数がこの値を超えないようにする量が必要であ
る。このホトカソード膜１０２は金属製のカソードホル
ダ９と電気的に接触し、カソード電圧Ｖ０として−３ｋ
Ｖが供給される。対抗する引出電極２は０Ｖであり、両
者による電界で加速され、電子線３が得られる。

【００２２】この電子線はエネルギ幅が０．３〜０．０
８ｅＶと単色である。さらに、電子線の広がり角も狭
く、１ｍｒａｄ以下であるため、輝度が高い。本実施例
では集光レンズ５に、透明基板１０１の厚さ（１．２ｍ
ｍ）に対して球面収差補正し、ＮＡ＝０．４５〜０．５
５のものを用いている。このため、励起光の焦点は半値
幅約１μｍであり、電流が１μＡ程度の場合、輝度にし
て約１０^８Ａ／ｓｒ／ｃｍ^２と、極めて高く、電界放射
電子源と同等の値が得られる。なお、透明基板の厚さ
は、１から１．５ｍｍまでは、レンズ位置の調整で大幅
な劣化なく対応可能である。

【００２３】ＮＥＡホトカソードをＳＥＭ等の電子線応
用装置に用いた従来例としては、Ｃ．Ａ．サンフォード
（Sanford）著、ジャーナルオブバキュームサイ
エンスアンドテクノロジ（Journal of Vacuum S
cience and Technology）Ｂ，１９８８年第６巻２０
０５ページから２００８ページ記載のものがある。この
従来技術の概略を図２に示す。この場合、真空中のホト
カソード１は、透明基板とその表面に接着したＧａＡｓ
を主材料とするホトカソード膜で形成されており、透明
基板側から光を入射し、ホトカソード膜側から真空中に
電子を放出する、いわゆる透過型ホトカソードとなって
いる。集光レンズ５は大気中にあり、真空容器１０に取
り付けられた窓７を通してこのホトカソード１に光を照
射していたため、集光した光の径を小さくできないとい
う問題があった。

【００２４】さらに、エネルギ幅や放出電流値の最適化
がされていないため、輝度や単色性が低く、得られるＳ
ＥＭ像は極めて分解能の悪いものとなっている。また、
表面を清浄化する手段を持たないために、電子源の劣化
が早く、ＳＥＭの電子銃として実用にならないという問
題があった。また、同様の記載が特表平１１−５０９３
６０にあるが、この場合も問題は同様である。

【００２５】本発明は、光の収束を理想化した構造と、
ホトカソード表面の処理を最適な条件で行う電子銃構造
を採用したことで、長期安定性に優れ高輝度で極単色の
電子銃を用いた高分解能低加速ＳＥＭを実用化するもの
である。

【００２６】本電子源は、光源径が励起光の回折限界と
半導体中の光励起で形成された電子の拡散距離で決ま
り、これらが１μｍのオーダーと大きいため、電子放出
源は１μｍから３μｍの径となっている。電子顕微鏡観
察で、１ｎｍ程度のプローブ径が必要となる場合に、電
子光学系で、１／１０００から１／３０００の縮小率が
得られるように３段の電子レンズ構成とした。

【００２７】ＮＥＡホトカソードは酸素や水、炭化物な
どの残留ガスがあると極めて速く劣化するために、超高
真空雰囲気を形成する構造とした。本実施例のＳＥＭの
排気系統の構成例を図４に示す。すなわち、差動排気構
造とし、真空引きはターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）および
イオンポンプ（ＩＰ）で行う。

【００２８】２００℃程度のベーキングで真空を立ち上
げた後には、図４のＩＰ１および図３に示す電子銃室に
入れた非蒸発ゲッタ３４が超高真空を維持する。また、
引き出し電極２からは特に電子線衝撃によるガス放出が
多いために、図３に示すようにアノードベークヒータ３
１を置き、引き出し電極が４００℃から５００℃となる
ように加熱して表面からのガス放出を低減させる。

【００２９】なお、このヒータ３１に隣接して非蒸発ゲ
ッタ３４を設けることで、ゲッタを活性化させて排気能
力を高めている。また、内部にＷフィラメント（図示
略）を設け、これを熱電子源として引き出し電極２およ
び差動排気穴１０３の周囲を電子線衝撃で加熱するとい
っそう効果的である。例えば図８に示すような移動式の
カソードホルダ９の場合、このＷフィラメントはカソー
ドホルダ９の右側に付けておき、引き出し電極２上から
カソード１を移動させたときに、引き出し電極２上にＷ
フィラメントが移動してくるようにするとよい。

【００３０】図５に、光源装置８と焦点検出器２８を形
成する励起光学系の構成例を示す。同図において、１０
１は透明基板、１０２はホトカソード膜、５は集光レン
ズ、６は平行光、７は窓、４０はビュウポート、４１は
カソードからの反射光、４２は支持台、４３は減光フィ
ルタ、４４はチェックレンズ、４５はピンホール、４６
はホトディテクタ、４７は中間層、５０はレーザダイオ
ード、５１はコリメータレンズ、５２はカップリングレ
ンズ、５３は光ファイバ、５４はファイバホルダ、５５
は調整ネジ、５６はコリメータレンズホルダ、５７はｘ
−ｙステージ、５８はビームスプリッタ、５９はチルト
ステージである。

【００３１】本構成例では、光源と光収束確認手段があ
る。光源はガウシアンビームを作ることが目的で、レー
ザダイオード（ＬＤ）５０から出る光をカップリングレ
ンズ５２を介して単一モード光ファイバ５３を通してい
る。ファイバのもう一方の端から出てきた光をコリメー
タレンズ５１を介して平行光にする。これを、真空の窓
７を通して集光レンズ５に入射し、透明ガラス基板１０
１と中間膜４７を通してホトカソード膜１０２上に収束
させる。中間膜４７は、接着剤もしくは反射防止コーテ
ィング膜もしくはＡｌＧａＡｓなどのワイドギャップ膜
である。

【００３２】ホトカソード膜１０２上で励起光の照射領
域を最小の径とするには、反射光４１を利用して焦点検
出し、集光レンズ５の位置を制御する。集光レンズ５を
通った反射光は、最適条件では入射時と同一の径の平行
光になる。これをビームスプリッタ５８で分離し、チェ
ックレンズ４４で集光すれば、チェックレンズの焦点位
置に結像する。このために、水平に張りだした支持台４
２上に、減光フィルタ４３，Ｆ＝１００ｍｍのチェック
レンズ４４，ピンホール４５（穴径２０μｍ）、ホトデ
ィテクタ４６を軸上に並べた構造とし、ホトディテクタ
出力が最大となる集光レンズ５の位置が最適となる。

【００３３】あるいは、上記ピンホール４５とホトディ
テクタ４６の代わりにＣＣＤカメラを置いてもよい。こ
の場合、画像信号で最小の直径が最適位置となる。ま
た、ピンホール４５の代わりに焦点近傍で通過する光の
強度が急変するものならば同様の効果があり、例えば４
５度に傾けたナイフエッジ等を置いてもよい。

【００３４】また、上記平行光源は、図６（ａ）に示す
ようにＬＤ５０とコリメータレンズ５１と、ビーム整形
プリズム６０の組合せで構成してもよい。ビーム整形プ
リズム６０は、ＬＤ５０からの楕円形の放射光断面形状
を円形に修正するためのものである。また、ビーム整形
プリズムとビームスプリッタを兼ねて図６（ｂ）に示す
プリズム６２を用いてもよい。この場合、部品点数が少
なく、コンパクトにできるという利点がある。あるい
は、ビーム整形プリズム６０の代わりに図６（ｃ）に示
すように円筒プリズム６４をＬＤ５０とコリメータレン
ズ５１の間に入れても同様の効果がある。

【００３５】電子源の径を最小にするために、ホトカソ
ード１０２上に照射する励起光の径を最小にする手段と
しては、図１５に示す方法を採ってもよい。すなわち、
集光レンズ５を最適位置から精度±５０μｍ程度と粗い
位置合わせを行い、その後、レーザダイオード５０とコ
リメータレンズ５１の間隔をマイクロメータ１５０によ
って±１μｍの精度で合わせる。

【００３６】図１５の系ではコリメータレンズ５１から
の光は必ずしも平行ではないため、図５のようにビーム
スプリッタ５８でとりだした光での焦点検出はできな
い。この場合、レーザダイオード５０の電流をモニタし
てホトカソード１０２上で光の焦点が最小となることを
検出する。レーザダイオード５０の出力は内蔵のホトダ
イオード（図示略）で光出力をモニタしながら、一定の
出力となるようにレーザダイオード５０の電流を制御し
ているが、ホトカソード１０２上に焦点を結んだ場合、
ホトカソード１０２からの反射光は強い強度でレーザダ
イオードに戻ってくるため、レーザの共振条件が変わ
る。この結果、図１５左のグラフのようにレーザダイオ
ード５０とコリメータレンズ５１の間隔の最適の領域で
レーザダイオード電流の極小領域ができる。図１５の構
造とすると高精度のマイクロメータを使えるので、焦点
の最適位置が精度よく決められるという利点、および自
動化が容易にできるという利点がある。

【００３７】なお、焦点検出方法としては、ホトカソー
ド１０２からの放出電流をモニタしてもよい。この場合
には、ホトカソード１０２からの放出電流が極小となる
ようにマイクロメータ１５０を調節すればよい。

【００３８】なお、ここではレーザダイオード５０を動
かしたが、コリメータレンズ５１を動かしても同様の効
果がある。コリメータレンズ５１はレーザダイオードと
異なり、軽量で配線も不要なため電磁石などによる小型
のアクチュエータを使えるという利点がある。

【００３９】ＮＥＡホトカソードとして機能させるに
は、ＧａＡｓ表面の付着物を除去して清浄表面とした
後、酸素とＣｓの吸着層を形成する。図８に、本発明の
好ましい実施態様として、電子源を高輝度かつ安定に保
持し、長期にわたり真空容器を開けずに使用することを
可能にするために、ホトカソードの表面清浄化と活性化
を真空容器内部で行うようにした構成例を示す。

【００４０】図８の装置において、真空立ち上げ後、ホ
トカソード１はベローズ８０の伸縮を用いた移動機構に
よって加熱ヒータ８７の下に置かれ、基板温度４００℃
から５００℃に加熱される。対向した原子状水素発生器
８５からホトカソード１に原子状水素を２０分から３時
間吹き付け、ホトカソード１のＧａＡｓ表面についた酸
化物、炭化物を還元除去する。

【００４１】ここで、原子状水素発生器８５は、アルミ
ナの筒とその内側にＷフィラメントをコイル状にしたも
のからなり、Ｗフィラメントに通電し１８００℃から２
０００℃程度に加熱し、水素ガスをバリアブルリークバ
ルブ８６で１０^−７〜１０⁻ ^３Ｐａ程度のガス圧に調整
して上記原子状水素発生器８５に通し、水素分子を解離
させている。この後、水素を止め、原子状水素発生器８
５および基板ヒータ８７の通電を止め、ＧａＡｓを室温
付近に戻し、表面清浄化を終了する。

【００４２】次に、加熱ヒータ８７の穴を通してプロー
ブ光源８８からの励起光をホトカソード１に照射し、酸
素とＣｓを適宜、表面に吹き付けて活性化された表面吸
着層を形成する。

【００４３】活性化の終了は、ホトカソードホルダ９に
触手８２を介して電圧Ｖｃを与え、プローブ光照射によ
る放出電流をモニタし、これが所望の値となることで検
出する。Ｖｃは放出された電子を表面付近から遠ざける
ための電界があればよく、−２Ｖから−５０Ｖ程度で用
いる。

【００４４】また、ホトカソード１と対向してメッシュ
電極８４を置き、両者の間の電界を変えることで、リタ
ーディング法によるエネルギ分布測定ができる。例え
ば、メッシュ電極８４をアース電位に、Ｖｃを＋１Ｖ付
近から−１０Ｖまで変化させ、ホトカソード１からの放
出電流Ｉｃを取り、微分したｄＩｃ／ｄＶｃの形状がエ
ネルギ分布に相当する。この方法により、所望のエネル
ギ分布となるようにホトカソードの活性化を調整するこ
とができる。活性化終了後は、Ｃｓ、酸素の供給を止
め、ホトカソード１を引き出し電極２上の所定の位置に
移動して電子源として用いる。

【００４５】活性化後、ホトカソード１を電子源として
数時間から数十時間使用すると、一定の励起光強度に対
して放出電流が減少し、電子源の輝度が落ちてくる。こ
の場合、表面にＣｓを追加することで、放出電流を回復
することができる。すなわち、図８のＣｓ蒸発源８３の
付近にホトカソード１を移動し、光励起による放出電流
をモニタしながら、Ｃｓを追加蒸着する。

【００４６】さらに、半年ないし１年程度の長期間使用
すると、Ｃｓの追加蒸着では電流値が上昇しなくなる。
この場合、再び表面清浄化の処理を行い、ホトカソード
表面を活性化することで再度使用可能となる。このよう
にして本発明では、表面清浄化と活性化、Ｃｓ追加蒸着
を適宜繰り返すことで、長期にわたり真空の電子銃装置
を開けることなく稼動できるという利点がある。

【００４７】なお、図８の例では酸素および水素のガス
源としてボンベとバリアブルリークバルブ８６を用いて
いるが、使用量は極微量であるため、これらのガスを発
生するものを用いても同様の効果がある。例えば、酸素
源としては、酸化銀、あるいは銀の薄板を大気との間に
設け、加熱してもよい。水素源としては、Ｚｒもしくは
Ｔｉを含む水素吸蔵合金を加熱してもよい。ＺｒやＴｉ
を含んだ非蒸発ゲッタを水素源として用いると真空ポン
プも兼ねるために効果的である。また、加熱ヒータ８７
の代わりに外部から赤外線を導入し、加熱してもよい。

【００４８】さらに、原子状水素発生器８５のＷフィラ
メントと基板加熱ヒータ８７を兼用してもよい。Ｗフィ
ラメントは原子状水素発生のため１８００℃から２００
０℃の高温になっており、一方、ホトカソードは４００
℃から５００℃と、より低い温度にすればよいため、ホ
トカソード１と原子状水素発生器８５の距離を調節する
ことでこの条件を達成できる。

【００４９】図８の引出電極２を図９の９０に示すよう
な構造とすれば、ホトカソードを移動しなくても、図８
と同様の処理を行うことができる。すなわち、引き出し
電極９０の中にＣｓ蒸発源８３を内蔵する溝を設ける。
さらにこの上に基板ヒータとなるＷヒータ８７、さらに
電界の乱れを防ぐメッシュ電極９１を順に設ける。この
構成によれば、ホトカソードの表面清浄化、活性化、Ｃ
ｓ追加蒸の全てを引き出し電極９０上で行うことができ
る。

【００５０】なお、表面清浄化方法として上記の実施例
では原子状水素を用いたが、電子銃内の残留ガスが極め
て低い状態が形成されていれば、加熱ヒータ８７のみで
ホトカソードを４００℃から５００℃に加熱しても表面
清浄化は可能である。このときの電子銃内は１０^−８Ｐ
ａ以上の真空度が必要である。

【００５１】長期間使用していると、ホトカソード１の
表面のうちで電子放出する領域が特にダメージを受けや
すくなる。電子放出する領域は極めて狭く、半値幅で１
ミクロン程度であるため、ホトカソード１を水平方向に
移動させて用いる構造とすることで、さらに寿命を延ば
すことができる。

【００５２】その一例を図１０に示す。これは、プッシ
ュロッド７０および直線導入器７１によりホトカソード
１をＸ−Ｙ方向に可動としたもので、ホトカソード面内
の広い部分を電子放出領域として用いることができる。
この結果、一度活性化した後は、表面清浄化が長期間不
要となるという利点がある。また、Ｃｓを追加蒸着しな
くても長時間連続して電子を放出させることができると
いう利点がある。この場合、カソード下面に対してホル
ダ９の下面が同一に近い形状にしておけば、カソードの
移動による電界の変化を最小限に抑えることができる。

【００５３】図１１（ａ）は走査型電子顕微鏡のシステ
ム構成の一例である。また、同図（ｂ）はＬＤからの入
射励起光強度と電子線放出量（電子線プローブ電流）の
関係を示す。電子放出量はＬＤパワーで制御され、その
関係は、量子効率で決まり、上記量子効率は、ホトカソ
ードの表面状態に大きく依存し、使用中に劣化してい
く。このため、電子銃コントローラでは所望の放出電流
となるようにＬＤパワーを制御する。上記ＬＤの制御範
囲が所定の値を超えた場合、表面の量子効率が劣化した
ことになるために、活性化コントローラにより、ホトカ
ソードにＣｓを追加蒸着する。

【００５４】また、電子銃コントローラはＳＥＭコント
ローラからブランキング信号もしくはビームスキャン用
のｄｅｆｆ信号を受け、図１１（ｃ）に示すように、電
子線が不要な時間帯はＬＤパワーを落とし電子線を止め
るか、微量にする。この結果、本実施例ではＳＥＭ筐体
に電子線のブランキング用の設備が不要となっている。

【００５５】図１２に本発明を用いた試料観察例を示
す。シリコンの酸化膜などの絶縁体は電子線入射により
表面にチャージがたまり、表面電位が変化する。この様
子を図１２（ａ）に示す。電位変化の初期は変化量が大
きいので、精度のよい測定ができないため、ある時間待
つ。また、図１２（ｂ）のような、絶縁物中にあいたコ
ンタクトホールの観察などの場合は、ある程度絶縁物を
帯電させることでコンタクトホールの内部の観察が容易
となる。この観察前に帯電させることはプリチャージと
呼ばれ、以前から使われている。このプリチャージ時間
は電子のビーム電流量が大きいほど短時間ですむので、
観察中にプリチャージ用にプローブ電流量を増やすと、
観察時間を短縮できる利点がある。

【００５６】従来の装置で電子源でプローブ電流を増加
させるためには、電子源あるいは電子光学系の条件を変
える必要があるため、高分解能測定中に電流値を変える
ことは困難であった。ところが、本発明を用いれば、Ｌ
Ｄパワーコントローラによって励起光量を変えるだけ
で、電子光学系の条件を変えることなしに、プローブ電
流量の制御が可能である。したがって、本発明はプリチ
ャージが必要な試料の観察に使用して極めて効果的であ
る。

【００５７】さらに、試料表面が図１２（ｂ）のよう
に、コンタクトホールのある領域Ａと酸化膜の領域Ｂに
分かれている場合は、画像処理装置からの信号をＳＥＭ
コントローラで処理し、図１２（ｃ）のように、コンタ
クトホール領域Ａのみでプリチャージさせると不要な帯
電を抑えて観察ができる。これは、試料での放電やコン
タミネーションを低減する効果がある。また、この方法
はＸ方向のｄｅｆｆ信号のみではなく、任意の形状に対
しても可能で、画像処理装置で領域ごとの必要電流量を
指定することができる。

【００５８】本発明の電子源装置は光のパターンを電子
線のパターンに変換するものであるから、電子光学系の
条件を一切変えずに、電子ビームの形状を変えることが
できるという特徴がある。図１３はこの特性を利用した
例である。同図（ｂ）のように、基板上に一方向に長い
形状のパターンが形成されている場合、同図（ａ）のよ
うに、上記パターンの長手方向と同じ方向に細長い電子
線プローブを形成し、照射する。この結果、同図（ｃ）
のように、長手方向に縮んだ形状のＳＥＭ像を得る。こ
の場合、微細なビームと比べて分解能は落ちるが、より
短時間で長い形状のパターンの欠陥検査が可能となる利
点がある。

【００５９】図１４には、上述のような所望の電子線の
パターンを形成する例を示す。同図（ａ）は、ホトカソ
ード１に集光するレンズ５と光源装置との間にマスク１
４０を入れ、この開口形状を集光レンズ５を用いてホト
カソード１に結像する方法である。結像条件は、マスク
１４０からレンズ５までの距離をＬ１、レンズ５からホ
トカソード１までの距離をＬ２、レンズ５の焦点距離を
ｆとするとき、１／ｆ＝１／Ｌ１＋１／Ｌ２である。

【００６０】図１４（ｂ）は、コリメータレンズ５１の
手前にマスク１４０を入れる方法である。この場合の条
件は、マスク１４０からコリメータレンズ５１までの距
離をＬ１、集光レンズ５からホトカソード１までの距離
をＬ２、コンデンサレンズ５１の焦点距離をｆ１、集光
レンズ５の焦点距離をｆ２とするとき、ｆ１＝Ｌ１，ｆ
２＝Ｌ２である。

【００６１】また、この方法以外でも、ホトカソード上
で所望の形状の励起光を照射できれば同様の効果がある
ことは明らかである。例えば、細いレーザビームをスキ
ャンする、あるいは干渉パターンを形成する等でもよ
い。

【００６２】

【発明の効果】以上実施例を用いて説明して来たよう
に、本発明を用いることによって低加速でも高分解能の
電子顕微鏡が得られる。また、本発明を用いることによ
って、高機能の電子線検査装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の走査型電子顕微鏡の構成を
示す概略縦断面図。

【図２】従来例のホトカソードを用いた電子銃部分を示
す概略縦断面図。

【図３】本発明の一実施例のホトカソードを用いた電子
銃部分を示す縦断面図。

【図４】本発明の一実施例の電子顕微鏡における排気系
を示す説明図。

【図５】本発明の一実施例のホトカソードを用いた電子
銃部分を示す縦断面図。

【図６】本発明の一実施例の照射励起光の光学系の説明
図。

【図７】電子線の単色性と色収差との関係を示すグラ
フ。

【図８】本発明の一実施例のホトカソード清浄化および
活性化手段を示す縦断面図。

【図９】本発明の一実施例の引出電極部分の構成を示す
展開斜視図。

【図１０】本発明の一実施例のホトカソード移動手段を
示す縦断面および平面図。

【図１１】本発明の一実施例の走査型電子顕微鏡の機能
構成を示すブロック図および制御方法の説明図。

【図１２】本発明の一実施例による被検査物の観察方法
の説明図。

【図１３】本発明の一実施例による被検査物の観察方法
の説明図。

【図１４】本発明の一実施例の照射励起光の照射光学系
の斜視図および縦断面図。

【図１５】本発明の一実施例の照射励起光の調整手段の
構成例を示す縦断面図。

【符号の説明】

１…ホトカソード、１０１…透明基板、１０２…ホトカ
ソード膜、１０３…差動排気穴、１０４…光学レンズホ
ルダ、２…電子引き出し電極、３…電子線、４…収束
光、５…集光レンズ、６…平行光、７…窓、８…光源装
置、９…カソードホルダ、１０…真空容器、１１…光源
取付台、１２…第１コンデンサレンズ、１３…第２コン
デンサレンズ、１４…対物レンズ、１５…偏向器、１６
…第１アパーチャ、１７…第２アパーチャ、１８…ブー
スター電極、１９…電子検出器、２０…速度弁別器、２
１…観察試料、２２…試料固定台、２３…絶縁台、２４
…移動ステージ、２５…試料室、２６…試料導入室、２
７…差動排気室、２８…焦点検出器、２９…反射電子検
出器、３０…アノードガイシ、３１…アノードベークヒ
ータ、３２…カソードガイシ、３３…カソード台、３４
…非蒸発ゲッタ、３５…ベローズ、４０…ビュウポー
ト、４１…カソードからの反射光、４２…支持台、４３
…減光フィルタ、４４…チェックレンズ、４５…ピンホ
ール、４６…ホトディテクタ、４７…中間層、５０…レ
ーザダイオード、５１…コリメータレンズ、５２…カッ
プリングレンズ、５３…光ファイバ、５４…ファイバホ
ルダ、５５…調整ネジ、５６…コリメータレンズホル
ダ、５７…ｘ−ｙステージ、５８…ビームスプリッタ、
５９…チルトステージ、６０…ビーム整形プリズム、６
１…光源マウント、６２…プリズム、６３…ＬＤからの
楕円形断面の放射光、６４…円筒プリズム、６５…円形
断面光、７０…プッシュロッド、７１…直線導入器、８
０…直線導入器、８１…絶縁継ぎ手、８２…触手、８３
…Ｃｓ蒸発源、８４…メッシュ電極、８５…原子状水素
発生器、８６…バリアブルリークバルブ、８７…加熱ヒ
ータ、８８…光源、９０…引出電極、９１…メッシュ電
極、１４０…マスク、１５０…マイクロメータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者品田博之東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者福原悟茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社日立製作所計測器グループ内 (72)発明者野副真理東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内Ｆターム(参考） 5C030 CC10 5C033 FF10 JJ07 MM07 UU02 UU03 UU10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】励起光の光源装置と、真空中にあって上記
励起光の照射により電子を放出するホトカソードと、上
記ホトカソード上に励起光を集光する集束レンズと、ホ
トカソードから発生する電子の引き出し電極と、光収束
確認手段と、ホトカソード表面清浄化手段と、ホトカソ
ード表面活性化手段と、Ｃｓ追加蒸着手段と、少なくと
も２つの電子レンズと、電子線の偏向器と、基板試料室
と、基板試料移動ステージを有してなり、試料に入射す
る電子線を低加速（５００Ｖから２０００Ｖ）で観察す
ることを特徴とする電子顕微鏡装置。
【請求項２】請求項１記載の電子顕微鏡装置において、
電子源からの加速電圧Ｖ０（＜０Ｖ）に対して試料基板
は絶縁板を介して移動ステージに掲載され、リターディ
ング電圧Ｖｒ（≦０Ｖ）を印加してなる構成において、
Ｖ０−Ｖｒを−５００Ｖから−２０００Ｖの範囲とし、
かつＶｒを０Ｖから−２０ｋＶの範囲としたことを特徴
とする電子顕微鏡装置。
【請求項３】請求項２記載の電子顕微鏡装置において、
少なくとも対物レンズ近傍に電子を加速するブースティ
ング電極を備え、同電極にブースティング電圧Ｖｂ（≧
０Ｖ）を印加してなる構成において、Ｖｂ＋Ｖｒを０Ｖ
から−２０ｋＶの範囲とした電子顕微鏡装置。
【請求項４】請求項１、２または３のいずれか記載の電
子顕微鏡装置において、励起光の強度を変えることで試
料観察中に電子線の電流量を変化させる手段を備えたこ
とを特徴とする電子顕微鏡装置。
【請求項５】請求項４記載の電子顕微鏡装置において、
電子線の電流量を変化させるための励起光の強度を指定
する信号は、観察画像をもとに発生させることを特徴と
する電子顕微鏡装置。
【請求項６】請求項１、２、３または４のいずれか記載
の電子顕微鏡装置において、ホトカソード上の励起光の
照射領域を変えることで電子線の空間的時間的形状を変
化させる手段を備えたことを特徴とする電子顕微鏡装
置。
【請求項７】請求項６記載の電子顕微鏡装置において、
励起光の光路中にマスクを設け、マスクの開口形状をホ
トカソードに投影することを特徴とした電子顕微鏡装
置。
【請求項８】請求項１ないし７のいずれか記載の電子顕
微鏡装置において、ホトカソードの電子放出面はｐ型半
導体もしくはｐ型半導体表面に１分子層以下の表面吸着
層があり、励起光のエネルギは上記ｐ型半導体のバンド
ギャップエネルギ（Ｅｇ）以上であり、上記表面吸着層
は電子放出面の仕事関数（φｂ）が上記ｐ型半導体のバ
ンドギャップエネルギ（Ｅｇ）より１ｅＶ以上大きくな
らない条件で選ばれ、上記ｐ型半導体はＧａＡｓ，Ａｌ
Ａｓ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＧａＰ，ＧａＮもしくはＳ
ｉ，Ｃ，Ｇｅもしくはこれらの混合物で構成され、上記
表面吸着層はＣｓ，Ｎａ等のアルカリ金属もしくは、Ｃ
ｓ，Ｎａ等のアルカリ金属と酸素、もしくはＢａ等のア
ルカリ土類と酸素、もしくはこれらの混合物であること
を特徴とする電子顕微鏡装置。
【請求項９】基板加熱ヒータと原子状水素発生装置を有
してなることを特徴とするホトカソード表面清浄化手
段。
【請求項１０】請求項１ないし８のいずれか記載の電子
顕微鏡装置において、電子源を構成する真空装置を開け
ずにホトカソードの位置を移動させる手段を持つことを
特徴とする電子顕微鏡装置。