JP2006114225A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＥＭカラムを高分解能で超小型化しようとすると、二次電子検出器が小型化の妨げとなっていた。
【解決手段】超小型で高感度かつ高分解能のＳＥＭを得るために静電レンズを主たる収束手段とし、電子源と試料との間でカラム内部に電子線のドリフト管を設け、この中に二次電子検出器をおく構造とする。
【選択図】図１

Description

本発明は主に電子線を用いて微細構造を観察する走査型電子顕微鏡（SEM）に係わり、とくに小型で高感度かつ高分解能の装置と、これにより実現されるさまざまな試料観察機能を備えた電子線応用装置に関するものである。

小型で高分解能のSEMとしては、例えば特公平7-1681 の第1図にあるようなものが知られている。電子線の収束に静電レンズを用い、対物レンズ外側の電極が０Vであるのに対して、対物レンズ内部では、正の高電圧を印加して電子を加速することで、高分解能で小型のSEMを得ていた。しかしこの場合、カラムには真空ポンプが無く、二次電子検出器もカラムとは別な場所に置かれていたので、システムが大きくなってしまうという問題があった。また、それによってカラムを多数配置することも困難となり、カラムを移動させて計測することも難しいという問題があった。

一方、特表2003-522381荷電粒子ビーム装置の光学カラムでは、電子源から対物レンズの内側までをビームブースター中にいれ、高加速状態をカラム内部に作り、この内部に試料から出てくる二次電子などの蛍光材料を有するコレクタと、外部への光導波路を用いて検出する方法をとっていた。しかし、この方法では、電子源をブースター中に入れるために、ビームブースターと加速装置との間で電位差が発生してしまい電子源から放出された電子はすぐにビームブースター電位に加速されることになり、この結果強い電子レンズ作用が電子源付近で発生し、これによる収差が大きいために、高分解能化することは困難である。装置を小型化する場合、ビームブースターのサイズを小型化するため、ビームブースターの絶縁耐圧を高くすることができない。そのためビームブースターには高電圧を印加することは出来ず、電子源から放射された電子線は十分な加速が得られないために高分解能化できない。電子源を覆ってしまうために、高性能電子源の動作に必要な超高真空雰囲気を作ることが難しくなるという問題があった。

SEMを用いて試料の三次元的な構造を計測する方法として、二次電子の放出角度分布が表面の法線方向を中心にほぼCosθに比例するというコサイン分布を利用し、二次電子の放出分布の変位を計測して表面の傾きを求め、三次元構造を予想する方法は広く知られている。通常は、二次電子検出器を複数配置するので測定装置全体では大きなものとなるが、検出器を内蔵してコンパクトなカラムでこの測定を行なう例として、USP5644132および、特開2002-141015に示されたSEMがある。これは、磁界型の対物レンズを電子ビームの主たる収束手段とし、このビームを照射した試料表面から発生する二次電子を対物レンズ下部に発生させた電界により加速し、対物レンズ中を通過して上方にある4分割型の検出器で4方位ごとの強度分布を計測し、試料からの二次電子放出角の変位を求めている。しかし、主たる電子ビーム収束は磁界レンズを用いているので、コイルと磁気回路の大きさは小さくならないので、更なる小型化は困難であった。さらに、この方法では、対物レンズの磁界中を通過するときに二次電子の軌道が回転するという問題があり、三次元構造の計算にはこの回転角を考慮する必要があり、このため、レンズの強度を変化させる度に条件が変わる、二次電子にエネルギー分布があるためにこの回転角がエネルギー毎にずれて精度が落ちる等の問題があった。また、電子ビームによる帯電を制御する電極が無いので、絶縁体などを含んだ半導体試料の測定が困難という問題があった。

特公平7-1681, 特表2003-522381、USP5644132、特開2002-141015

従来の技術では、小型のハウジング中に二次電子検出器と電子源を内蔵して稼働させて高分解能かつ高感度な観察像を得ることが難しいという問題があった。また、SEMにおいて三次元構造の観察を行なう装置では小型化に課題があった。
本発明の目的は超小型で高感度かつ高分解能のSEMを実用とするに際して問題となる電子源の超高真空雰囲気維持機構と二次電子検出系をハウジングに内蔵または付帯させ、絶縁体を含む試料を高感度かつ高分解能で顕微鏡観察や三次元構造観察する装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、静電レンズを主たる電子線の収束手段とし、電子源と試料との間にドリフト領域を形成するドリフト管を設け、この内部に試料から発生する電子の検出器を設ける。電子の検出器は4分割以上の領域に分けられたものを用いる。ドリフト管とは、正の電位を印加することにより試料への入射電子に比べて高加速にするもので、これにより電子源から放射された電子線を対物レンズ直前まで高加速状態とし、対物レンズ中の電界で減速する構成とする。電子源とドリフト管との間に調整電極および小型内蔵ポンプとして機能させる非蒸発型ゲッタを配し、全体はハウジングで覆われる。ハウジングの内部もしくは外部に非蒸発ゲッタ活性化用のヒータを設ける。電子源は超高真空雰囲気とし、ハウジング外部は低真空もしくは中程度の真空度となるように、1つあるいは2つの隔壁が設けられ、各隔壁には電子線の通過する穴が開いており、この穴を通して電子源とハウジング外部は差動排気状態となる。各隔壁には真空雰囲気形成工程において、電子源からハウジング外部に排気するための粗排気バルブが設けられ、このバルブはバイメタルにより駆動され動作は温度により決定される。

本発明を用いれば、ポンプと二次電子検出器を内蔵した超小型で高感度かつ高分解能のSEMが実現される。さらに、超小型で三次元構造の観察を行なうSEM装置や、カラム移動式、マルチカラム式のSEM装置など、高機能の電子線応用装置が実現される。

図1に本発明の実施例の一つの概略を示す。
電子源５は材料Zr/O/Wからなるショットキー電子源で1600から1800Kに加熱し、サプレッサ電極６と引き出し電極４により、電子線である電子線プローブ20を形成する電子銃部分を構成している。電子線プローブ20は、試料基板２５に入射する際に、電子源側に配置された対物レンズ内側電極３と試料側に配置された対物レンズ試料側電極２からなる静電型の対物レンズにより収束し、直径が30nmから2nm程度の微細な電子線プローブとなる。これを偏向器２４によりｘ、ｙ方向にスキャンし、出てきた二次電子あるいは反射電子を電子検出器７で検出し、電気信号に変換してコントローラ８で信号処理し、ディスプレー９にSEM像を表示する。

SEMカラムは長さ20cm直径7cm程度とコンパクトなハウジング12中に収められ、移動手段14により試料表面上を移動し観察場所を変える。この場合試料ステージ15は試料基板２５の固着と、試料バイアス電圧Vsの印加が主な用途であり、高さ、傾き、位置等を移動させる試料移動機構２７を備える場合もある。全体は真空容器１６中に収められ、真空排気されている。装置を組み立てあるいはメンテナンスを行い真空に立ち上げる場合は、電子源５周りを10^-7Pa程度の超高真空雰囲気にする必要があるため、次のような手順をとる。真空容器16の排気開始後、ヒータ１３に通電し100℃程度に加熱、これによりバルブ１０が開き、カラム内部のガス排気が促進される。バルブ10の動作説明は図2に示す。室温では図２（ａ）のように、隔壁１２に開いた排気穴を弁１９が塞いでおり、バイメタル１８のばねにより押し付けられているのでガスの出入りは防がれている。100℃以上に加熱すると図２（ｂ）のように、バイメタルが曲がり、弁１９は隔壁１２から離れるので、高いコンダクタンスで高圧力側から低圧力側にガスが流れる。このバルブ１０を開きながら真空容器全体で10^-4から10^-5Pa程度に排気し、1から2時間程度した後、ヒータ１３の通電電力を上げ、カラム下部で200℃、電子源近くで400℃で1時間以上加熱する。この加熱により、カラム内部の吸着ガスが減ると共に、カラム内部に配した非蒸発ゲッタポンプ１１が活性化し内蔵ポンプとして稼働する。

その後室温に冷却しバルブ１０を閉じる。これにより、電源周りとハウジング１２の外側とでは、電子線の通る穴を介して２段の差動排気状態となるので、電子源は超高真空雰囲気に保たれる。非蒸発ゲッタポンプは所定量ガスを吸着するとポンプ作用が低下するので必要な場合には再度加熱すればポンプとして活性化する。吸着ガスが半年から１年程度あってもポンプ作用を保つように、ガスの流入穴径とゲッタポンプ量を調整しておけば、電子源５の交換のときに同時に非蒸発ゲッタポンプの再活性化を行なうことで、メンテナンス工数を減らし、装置稼働時間を長く取ることができる。非蒸発ゲッタポンプ１１は、メンテナンス時に交換する方式としてもよい。

本構成では、大きな試料、例えば直径300mm以上のSi基板、あるいは一辺が１ｍ以上の平面ディスプレー用の基板であっても、真空容器16は試料ステージ15の大きさに、周辺の空間と真空容器の厚み程度のサイズで済むという利点がある。従来の半導体用のSEMでは、試料の全領域を観察するには、試料ステージの移動距離を縦横共に試料の幅の2倍の距離とする必要がある。カラム移動式である本発明の場合は、従来の装置の約1/4の大きさですむという利点がある。なお、試料を大気から真空に入れるための準備室を設けた場合は1/2以下のサイズとなる。

図３（a）は電子光学系のより詳しい説明図である。
ドリフト管１への印加電圧Ｖｐは４ｋＶから２０ｋＶであり、これはワーキングディスタンスＷＤにより変わる。ＷＤ=５ｍｍの場合は５ｋＶ程度、ＷＤ＝２ｍｍの場合は１０ｋＶ程度、ＷＤ＜２ｍｍの場合は１０から２０ｋＶとして用いる。電子源５には、電子線を加速させるための加速電圧Vaが印加され、本実施例ではVaは−１ｋV程度である。なお、Vaの範囲は−５００V程度から−３ｋV程度が好適である。ドリフト管内には、入射された電子が一定速度で動くドリフト領域が形成されており、ドリフト領域内では、電子は、ドリフト管への印加電圧Vpと電子源１に印加する加速電圧Vaの絶対値の和のエネルギーに保たれる。試料にはサンプルバイアスVsが印加される。Vsを調整することにより、二次電子の検出感度を調整することができ、本実施例では、Vsは０から−２kV程度であった。ドリフト管の下面には対物レンズ内側電極３が配置される。対物レンズ内側電極３は、ドリフト管下面部と一体化されている場合もある。対物レンズ内側電極３には、ドリフト管への印加電圧Vpと同一の電圧が印加される。対物レンズ内側電極３と対物レンズ試料側電極２の間の電界を調整することで、対物レンズのレンズ主面の位置を対物レンズ試料側電極２と試料との間に形成する。対物レンズよりも試料側にレンズ主面を形成することでWDを小さくしてもレンズ収差を小さくすることができる。

また、絶縁体を含む試料の場合、電子線照射による試料のチャージアップ電位が高くなり測定のさまたげとならないように、対物レンズ試料側電極２と試料基板２５間の電界が２５０V/mmを超えないような電界が望ましい。試料基板２５で発生した二次電子は、対物レンズに向かい、一部が穴を抜けてドリフト管１中に導かれる。このとき加速によるレンズ作用があるので、図３中の、実線のAや破線のBのような軌道をたどり電子検出器７に入射する。二次電子の軌道の違いは、ワーキングディスタンスWD, 対物レンズ長Lobjと、印加電圧のVs,Vpで決定される。ここで、電子検出器７は図４に示す半導体検出器を用いている。電子検出器は４分割式で、穴径はDh、検出領域の内径D1、外径D２である。穴径Dhは電子線プローブ２０の障害とならないサイズであり、0.1mm以上あれば良く、アライメントも考慮して実用上0.7mm以上が望ましい。検出領域の内径D1は、大きすぎると二次電子線の収率が落ちるのでできうる限り小さい方が良く、穴径Dhとの兼ね合いで1.2mm程度が望ましい。実用上は、1mmから６mmの範囲で選べばよい。その場合、内径D1の値に対して、対物レンズ内側電極３の上面から検出器７までの距離Ldetは十分大きくとり、10から60倍とすることが望ましい。

一方、外径D2は、できうる限り大きい方が二次電子を捕獲する領域が広くなるが、小型のカラムサイズとの兼ね合いがあるので、最適条件を選ぶ必要がある。対物レンズ内側電極３の上面から検出器７までの距離Ldetは、図3のＡ軌道をとる場合、
D2=(1+2 Ldet/Lobj)Dobj (式1)
が有効で、これより外には電子が来ない。また、B軌道をとる場合、
D2＝(1+ Ldet/Lobj)Dobj (式２)
となる。実用的にはVsを考慮してこれらの値の±20％以内のサイズを選べばよい。
また、D2が定められている場合には上記（式１）と（式２）を基にLdetを定めても良い。

０．５Lobj（（D2/Dobj）−１）≦ Ldet ≦Lobj（（D2/Dobj）−１） （式３）
さらに、電子光学系の条件として、以下の式を満足するという条件に沿って各値を設定する。

0.01mm < Dobj < Lobj/2,
50 < |Va| < 2000, (式４)
4 ≦ Vp/|Va| ≦ 20
Vp/|Va| が4を下回ると電子ビーム径は20から30 nmを超え、これは、従来の減速型静電レンズで十分達成可能である。

本発明は、電子レンズ中で電子が加速する、いわゆる加速型静電レンズを用いることで高感度でかつ高分解能化を達成するものであり、これを発揮するためにはVp/|Va| が4以上の領域とすることが望ましい。Vp/|Va|を大きくしていくと対物レンズはより短焦点になり、電子光学系の収差が小さくなっていくことが知られており、この結果、電子ビーム径の小さい、すなわち分解能の高いものが得られる。この上限値は、対物レンズ試料側電極２と対物レンズ内側電極３間の耐圧で決まり、例えば、Lobj＝5mm程度の場合、材料の肉厚を1.5mm程度とすると、空隙は2 mmとなり、放電しないで使える電界の目安である10 kV/mmより、最大電圧は20 kVとなる。この実用的なVaの値は1 kVでWDが約１ｍｍ、収差は2nm~4 nmであるので、Vp/|Va| の上限として20が得られる。ここで、Lobjを大きくすれば耐電圧は上がるが電子レンズ条件を一定にするにはそれに比例して大きな電圧印加が必要となる。ここでVpが20 kVを超えると、例えば、大気中の電源ケーブルから真空槽内に電気を導入するフィードスルーのガイシは沿面放電を防ぐために大きなものが必要となり、さらに大気中でのコロナ放電防止のためのガス封止や樹脂封入などが必須となるので、小型のSEM構造を得ようとする本実施例からは望ましくない条件となる。したがって、Vp/|Va| の上限としておよそ20が望ましい。

本実施例では、例えば、Lobj=5.5mm, Dobj=0.8mm, Ldet = 60mm, WD = 2mmの条件では、Vp = 10kV, Vfは１kV〜３ｋVがよく、このときの二次電子の条件を図7に示す。試料基板２５から放出する二次電子は様々なエネルギーと放出角ψを持ち、それぞれ異なる軌道を取るが、電子検出器7に至るには対物レンズの穴を抜ける必要がある。放出角が大きいと対物レンズにさえぎられて上方に出てこられなくなる。ここで放出角ψとは、図８に示すように、試料表面の法線と、試料から放出される電子の方向との角度である。この対物レンズ上に抜けられる電子の放出角の最大値ψmaxは、二次電子エネルギーとVsにより変わり、図７（ａ）に示す関係となる。また、D1=1.2mmの場合、放出角の最小値ψminより小さいものはD1より内側に到達するので検出されない。このψminと二次電子エネルギーとVsの関係は、図７（ｂ）となる。二次電子放出量は、Cosψに比例するので、これを全方位でψmaxからψminまで足し合わせると、二次電子の各エネルギーの収率はVsにより図７（ｃ）に示すとおりとなる。これに二次電子のエネルギー分布をかけて二次電子収率とし、Vs依存性を示したものが図７（ｄ）Aの曲線である。この図から、二次電子収率の最適条件はVs = −300 V付近であり、この条件で用いれば最高の感度が得られる事がわかる。

ここで、図７（ｃ）をみると、検出器に到達する電子の収率はあるエネルギーでピークとなり、このピーク位置のエネルギーはVsによって変わり、−Vsが大きいほど高エネルギー側にシフトしていくことがわかる。この効果は、本二次電子検出系がエネルギーフィルタとして機能することを示している。これを利用して、表面の帯電電位の定量評価あるいは、材料の二次電子のエネルギー分布の違いによる判別などが行なえる。例えば、試料表面の一部が局所的に負に帯電した場合、放出される二次電子エネルギーは帯電分だけ高くなるので-Vsが小さいときは信号量が下がり、大きくなると信号量が増える、図７（ｄ）中の破線Bのようになる。一方、正に帯電した場合、エネルギー分布は低エネルギー側にシフトするので-Vsが小さいところで信号量のピークとなる点線Cのようになる。この帯電量と二次電子信号量-Vs曲線との関係は、装置条件に固有のものであるから、測定条件ごとに両者の関係を計算もしくは実測で求めておくことにより、帯電電位の定量的評価ができるという利点がある。
なお、この場合、二次電子が検出器7に到達するときの最外径はVsによって表１に示すようになっているので、D2は10mm程度のものがあれば良く、これは、図３の軌道Bに相当する。

半導体を用いた電子検出器７は、図４に示した、電子を検出する面S1,S2,S3,S4を試料側に向けて置かれ、各々独立なダイオード型電子検出器として機能する。この検出器７の電位はドリフト管１の電位Vpと同電位に保たれる。ここで同電位とは全く同一の電位のみならず±１０V程度の誤差は許容される。検出器の検出面S1,S2,S3,S4各々には、バイアス電圧Vbを重畳させる。Vbは、0から−100Vの間から選ばれる。検出面S1,S2,S3,S4にVbを印加して流れる電流を測定するために電流検出器２６を設け、この出力：Out端子からコントローラ８に二次電子信号として伝達される。電流検出器として、例えば図５（ａ）の構造を用いればよい。電子検出器７のＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４からフィードスルーを介して大気中に取り出した線はSensor端子に入力され、一方Ｖｐに重畳したＶｂ電圧はBias端子に入力される。

オペアンプ５０とセンス抵抗Ｒｓで構成された電流電圧変換回路により、SensorをBiasと同電位に保ちつつ流れる電流に−Ｒｓを乗じた電圧が出力される。これをＡＤコンバータを通してデジタル信号に変換する。ここまでは高電圧Ｖｐが重畳しているので、コントローラ８の信号処理系と電位を合わせるために、光アイソレータを設ける。ここで、Ｒｓの値は、測定信号強度により最適なものを選ぶ必要があり、条件が変わる場合は、このＲｓを可変式とすると便利である。また、図５(ａ)では光アイソレータとしてホトカプラを用いているが、光ファイバで配線してもよい。また、光を用いずとも、トランスによるアイソレーションでも同様に用いられる。さらに、高い精度が不要な場合は、デジタル信号に変換せずとも、アナログ信号のまま光やトランスのアイソレータを用いても良く、その場合安価にできるという利点がある。また、アナログ信号の場合は、振幅変調、周波数変調等により高周波に変換すると精度が高くなるという利点がある。

また、信号強度が十分にある場合には、図５（b）に示すように、センス抵抗ＲｓとデカップリングコンデンサＣｄを用いたシンプルな回路でもよく、この場合、安価でコンパクトとなる。また構造が単純なため、真空装置内に設置できるので、高電圧配線の数が少なくてすむという利点がある。より高周波に対応するためには、オペアンプ５０を追加し図５(ｃ)のような回路としてもよい。この場合高周波成分の信号がBias側に流れないようにコイルＬ_Ｌを介して電位を与えている。

試料基板２５から発生する反射電子は、ワーキングディスタンスＷＤが２ｍｍ以上の場合には9割程度が対物レンズ試料側電極２に衝突するので、図８のように、対物レンズ試料側電極２の下面に反射電子検出器８０を置くとよい。この場合、１ｋV程度の低加速でも感度のある検出器で、かつ厚さが２ｍｍ以下のものが望ましく、半導体検出器の低加速用のものか、MCP(マルチチャンネルプレート)のようなものが用いられる。また、ワーキングディスタンスＷＤを２ｍｍ以下にすると、多くの反射電子が対物レンズの穴を抜けてドリフト管１中に入るので、ＷＤにより二次電子と反射電子情報を選んで取得することができる。

本実施例においては、電子検出器７としてドーナツ形で、４分割のものを用いたが、これに限らず、直径方向に細分されているものを用いれば、より詳細なエネルギー分布を知ることができる。あるいは、２分割や分割していないものを用いても良い。さらに、高速動作のためにより小さく作り、穴および分割のない検出器を電子線プローブ２０が通る軸をはずして置いてもよい。この場合、検出器の静電容量を小さくできるので高速での画像取得が可能である。たとえば、図９に示すように、ドリフト管１中にWienフィルタ９０を入れ、電子線プローブ２０は直進する磁界Bｗ、電界Ewを条件とし、試料基板２５から来る二次電子の中心軌道９２や反射電子の中心軌道９１を曲げて電子検出器にもたらすと、高感度な測定が実現される。このときの条件は、電子線プローブの速度をｖとしたとき、ｖ×Bw＝Ewであり、この条件のままBｗ、Ewの強度を調節すると、運動エネルギーの違いにより二次電子と反射電子をそれぞれ別々に選択して観測することができるというメリットがある。

なお、この効果は、Wienフィルタを使わなくとも、ドリフト管内部に軸対称構造の減速電極のような電界コントロール電極を置いても可能で、この場合、電子線プローブ２０の軌道には大きな影響を与えない程度の電界を形成し、これにより二次電子および反射電子の軌道の広がりを調節して検出器７で最良の条件を得る。この場合、電極１枚の追加で行なえるのでより簡便な構造とすることができる。なお、この場合検出すべき電子は同軸上に広がるので、検出器７は、図４のようなドーナツ形のほうが望ましい。
また、本実施例においてはドリフト管内に電子検出器を備えた構造としたが、図３（b）のようにドリフト管内上壁と電子検出器を一体とさせても良い。ドリフト管と電子検出器を一体とすることで製造工程を短縮化できるという効果がある。

本実施例においては、電子ビームのスキャン、軸あわせ、およびスティグマ調整をドリフト管1の周りに配したコイル２４からの磁場で行なう。このため、ドリフト管1の材料は非磁性体であることが望ましく、Tiや非磁性ステンレスなどが用いられる。あるいは、SiO₂やAl₂O₃等の絶縁体材料を主成分とする碍子構造の中に同軸形状の穴を設け、この内壁に導電性の被覆を施したものを用いても同様の効果がある。 また、偏向には磁界を用いずに電界を用いても良く、例えば静電８極の偏向器を２段高加速領域に配しても同様の効果がある。この場合、磁界式よりも高速での動作に向いている。

本実施例では、電子源としてショットキー型電子源を用いたが、他の電子源を用いても良く、例えば、W＜３１０＞やカーボンナノチューブのような電界放射電子源６０を図６のように引き出し電極４と対向させてフィラメント６１上にマウントしてもよい。この場合、電子銃構造にサプレッサ電極は不要となるのでより簡便な構造となる。また、電子源のソースサイズが１０nmから３nm程度ときわめて小さく、さらにエネルギー分布も最低で０．２eVとなるので、色収差が小さく、極めて高分解能化が達成されるという利点がある。

また、本実施例においては電子線プローブの収束に静電レンズを用いているが、静電レンズが主な収束手段であれば、小型のコイルや永久磁石などで磁界を重畳しても良く、例えば、試料と対物レンズ近傍に軸対称の磁場を形成すると、二次電子が磁力線に沿ってカラム中に戻るので、二次電子の感度が高いものが得られる。 あるいは、電子源近傍に同軸の磁界を重畳することで、大きなプローブ電流が得られるという利点がある。あるいは、ソースサイズの小さい電界放射型電子源の場合には磁化の重畳により収差が小さくなるのでより高分解能となるという利点がある。

本発明の実施例の一つの模式図を図１０に示す。
基板上にナノパターンを形成する手段の一つ、ナノインプリント用の金型１００の検査装置に応用した例である。ナノインプリント法とは、対象とするＳｉ、プラスチック、ガラス等の基板上に熱硬化性あるいは光硬化性などの硬化性を持った樹脂の薄膜を形成し、これに金型を押し付けて樹脂を整形したまま、熱あるいは紫外線などにより樹脂を硬化させ、その後金型を剥離してナノパターンを形成する工程である。紫外線を用いること、および熱膨張や塑性変形を嫌うために金型はガラスや石英で作られている。この工程では、剥離しやすさ、パターン精度等のために金型の三次元的な構造が重要である。この金型の検査には、光による方法、例えば共焦点顕微鏡では寸法が小さすぎるので測定は困難である。また、従来のＳＥＭによる三次元検査装置では、加速電圧が高くチャージアップが防ぎきれないこと、および試料室が大きくなり、装置自体が大きく、コスト高になるといった問題がある。

図１０の構成は、図１と同じ本発明によるSEMカラム１０１が移動手段１４上に装着され、ナノ金型１００表面を下からSEM観察する。SEM観察とカラム移動は同時に行なうこともできる。ここで、４分割の電子検出器７の４つのセンサS1,S2,S3,S4から別々に４個の電流検出器２６から二次電子信号を取り出す。この信号に基づいて表面の三次元構造をコントローラ８中で構築しディスプレー８に表示する。図１１を用いて三次元構造の構築方法を説明する。

図１１(a)のように、試料基板２５表面に凹凸がある場合、例えば、電子線プローブが当たっている面が試料基板の法線から角度θ傾いているときには、試料から放出される二次電子分布の中心もθ傾く。本発明によるSEMカラムは静電レンズを用いているので二次電子軌道の回転が無く、電子放出方位の偏りがそのまま検出器７に反映される。さらに、図１１(a)に示されるように、試料基板法線から見た電子の放出角ψと、検出器７に衝突する位置(この場合軸中心からの距離)はほぼ１対１に対応する。したがって、放出電子の分布中心が傾くと、検出器７のセンサS１、S２で検出される強度が異なってくる。 この関係は図１１(b)に示されるように、センサS1,S2で検出される電子は放出角ψminからψmaxの範囲であるが、分布の中心がθずれているので、強度に差が出る。二次電子の角度分布は放出する表面に対してコサイン分布となるので、
S1、S２上での電子の検出強度はそれぞれａ(ψ)、ｂ(ψ)とすると、図中の曲線は式５となる。

ここで、ｆ(ψ)はカラムの検出効率のψ依存性、ｇ(θ)は試料表面での二次電子イールドである。ｆ(ψ)は、ψminからψmaxの範囲ではほぼ一定として扱える。また、１ｋＶ付近の低加速では電子のもぐりこみが浅いので、ｇ(θ)はおおむね一定として扱える。通常は、傾きθの面はｘ方向とｙ方向の様々な方位をとりうるので、これをθｘ、θｙと分解して、放出角空間ψｘ、ψｙ上で、センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４への写像として図１１(ｃ)のように書くことができる。このときのS1、S２上での検出強度はそれぞれ、次式となる

Ｓ３，Ｓ４からのデータの場合はこの式６のｘとｙを入れ替えればよい。
この式６から、簡便にθとθｘが次のように求められる。

この式７、８より、測定値から表面の傾きを定量化することができる。
ここで、ａ(ψ,0), b(ψ,0)は平らなθ=０の表面における実測値である。なお、Ｓ３，Ｓ４からのデータにより、このｘとｙを入れ替え、θとθｙが得られる。
より精度を高める場合は、測定系毎に図１１(ｃ)の各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４で検出する電子量とθの関係を計算あるいは実測してデータベース化しておき、これと比較して決めるとよい。
以上の方法により４個のセンサの信号から求めたθ、θｘ、θｙと、電子線プローブを走査した距離情報により３次元構造が計算により求められる。

なお、本実施例のようにセンサが４分割の場合、得られる情報は重複しているので、これらの平均を取るあるいは補完することで、よりノイズの少ない、精度の高い三次元像が得られる。４分割以外でも、例えば２分割や８分割などでも同様に三次元構造が求められる。なお、２分割の場合は、１点からの測定値ではすべての傾き情報が得にくい場合があるが、電子線プローブをスキャンしているので、近隣のデータと比較することで三次元構造を計算することができる。例えば、検出器の分割が、ｘ軸の＋側と−側の場合、一点での測定値からｙ方向の傾きθｙも求められるが精度は低くなる。しかし試料表面が連続的に変化している場合は、近くの場所ではθｙが連続的に変化する場所と、θｘが連続的に変化する場所が必ずあるので、精度の低いデータを補完することができる。

図１０の構造に適応する場合、分解能２nmのカラムを用いると、幅、高さ、溝の側壁の角度など寸法の１/１０以下の高精度測定が実現される。また、高速で検査したい場合には、解像度１０nmから２０nm程度あれば異物や、亀裂などの不良判定は容易に行なえる。その場合、電子のプローブ電流が１ｎＡから１００ｎＡ以上で、ワーキングディスタンスＷＤは５ｍｍ以上あるので、高速検査に向いている。さらに、高速に検査する場合は、三次元構造まで計算せずとも、各センサからの信号の値およびその変化量から短時間で異常を判定すればよい。例えば、側壁の傾きが十分でない場合は、対象とするセンサからの信号強度の差が小さい。また、穴の深さが十分でないあるいは内部を異物が塞いでいる場合は、信号強度変化が弱いものを判定すればよい。パターン面に傾きがある場合は、各センサ信号の差を見れば判別できる。欠陥パターンが異物によるか溝か判定する場合は、対象とするセンサ信号の強度差や、変化量が逆となる事で容易に判定できる。

また、本発明のＳＥＭは電子線の加速を１ｋＶ程度以下で、かつ対物レンズの試料側電極と試料基板２５の間には大きな電界はかかっていないので激しいチャージアップは抑制され、表面帯電が±数Ｖ以内に制御されるので、金型１００表面の損傷や帯電を抑えて精度良く測定できるというメリットがある。

本発明を用いれば、三次元計測可能なＳＥＭを提供できるので、本実施例以外にも適用可能である。例えば、半導体や平面ディスプレー用の検査装置や、エッチングや製膜などのプロセス装置内での異物、不良モニタとして用いられる。とくに本発明の装置は小型であるので、試料準備室内に移動手段と共にＳＥＭカラムを設置しておけば良く、新たな試料搬送装置や真空装置などの追加なしにモニタ機能が付加できるという利点がある。

より深い穴や、オーバーハングのある段差を観察するためには、図１２のようにＳＥＭカラム１０１を２個備えるとよい。この場合、２個のＳＥＭカラムＡ，Ｂは、試料ステージ１５の法線に対して対称の位置で、角度ωの傾きを持ち、焦点位置が同じとなるように設置されている。カラムＡ、Ｂの間には二次電子検出器１２０が置かれ、試料からの二次電子を計測する。カラムＡとＢ交互に切り替えることで、二次電子によるステレオ観察が可能となる。さらに、カラムＢから放出された電子線プローブにより発生する反射電子の分布１２２は、試料からの鏡面反射条件にピークを持っているので、カラムＡ中の電子検出器で観測される。逆に、カラムＢの検出器ではカラムＡからのプローブによる反射電子が検出されるので、反射電子によるステレオ観察が可能となる。反射電子を用いた場合はカラムＡ、Ｂを切り替える必要が無く、連続運転できるという特徴がある。

オーバーハングの観察には図１２(ｂ)のように、カラムＢからの電子線プローブによる二次電子をカラムＢの検出器で測定する。もしくはこのとき発生した二次電子、反射電子の散乱したものを二次電子検出器１２０で測定してもよい。この構造では、側壁の傾きが垂直から角度ωまで観察可能である。より広い条件に対応するために、ＳＥＭカラム１０１を移動させ、角度ωを可変とするとよい。また、ワーキングディスタンスＷＤを可変としてもよい。本発明によるカラムが小型でかつ真空装置内に入っているので、これらの可変機構をつけても装置は実用的な大きさで容易に形成できるという利点がある。

図１３には本発明をプロセス装置のうち、収束イオンビーム装置に適用した例を示す。
イオン源１３０で発生したイオンビームプローブ１３２は加速１０ｋから３０kVでイオンビームカラム１３１中の静電レンズで収束され試料基板２５に照射され、所望の領域をイオンビームエッチングにより切り取っていく。これに対し、角度ωの位置に配置された本発明によるSEMカラム１０１は、移動手段１４により、ワーキングディスタンスWDが可変となっている。ワーキングディスタンスWDが５mmから１０mmとした場合には、分解能が低くともより広い領域が観察され、かつ試料元素の再付着による汚れを低減できるので、イオンビームを照射中のモニタ、および終点検出として用いられる。さらに試料の、大まかな領域の俯瞰のために使われる。一方、ワーキングディスタンスWDを１mmから５mmと短くするとより高分解能観察が可能となるので、イオンビームで形成した試料の詳細な断面観察が行なえるという利点がある。このとき、二次電子検出はＳＥＭカラム１０１内部と、別に置いた二次電子検出器１２０により行なう。

また、イオンビーム装置のような電子以外の荷電粒子線装置に本発明を応用してもよい。図１４は収束イオンビームカラム１３１のうち静電レンズの一部を電子線のドリフト管１に置き換えたものである。イオン源１３０の加速電圧１０ｋＶ〜３０ｋＶに対して、ドリフト管１は１ｋＶから１０ｋVが印加されるので、イオンプローブにとっては減速領域となり、ここでレンズ作用を受けたイオンビーム１３２は試料基板２５表面上で収束する。一方、このとき発生する二次電子１３３にとっては逆にドリフト管１中で加速されるので、図１と同様に、電子検出器７で検出される。

この結果、本発明を適用することによりコンパクトなイオンビームカラムを提供できる。また、近くにSEMカラムを置き、電子線プローブを照射した場合も同様にイオンビームカラム１３１中で二次電子検出が可能となるという利点がある。実用上は、電子線プローブによる二次電子の方が量が多いので、ＳＥＭ像の信号取得用にイオンカラム１３１が用いられるので、装置全体でコンパクトになるため、プロセス装置や透過電子顕微鏡などの観察装置の準備室に備え付けることが可能である。

本発明によるＳＥＭカラムはコンパクトなハウジング中に小型ポンプと二次電子検出器を内蔵できるので、多数並列に並べて使うことができる。
図１５には、直径３００ｍｍのウエハに対応した検査装置の概略を示す。第１の真空室１５０と、第２の真空室１５１があり両者の間を開閉する扉を通り試料基板２５はローダーにより出入りすることができる。第２の部屋１５１は準備室として、大気中から試料基板２５を挿入し真空に引いて待機する。第１の真空室１５０には、本発明によるＳＥＭカラム１０１が８本結合しておかれ、各カラムの直径は３８ｍｍである。このカラムは図１と同じもので、ＷＤ５ｍｍの条件で電子線プローブを３０ｎＡから１００ｎＡと大電流化したもので、分解能は２０nmから４０nmである。この８本の組をｘ方向とｙ方向の移動手段１４を用い、例えば図１５中の矢印のように移動させて、試料表面のパターン形状、帯電異常などの不良箇所の検査を行なうことができる。この場合、従来のカラム１本のＳＥＭ式の検査装置に比べて同じプローブ電流で用いた場合、最大で８倍の高速化が可能となるので、試料の全面を検査しても短時間ですむという利点がある。
それぞれのカラムを接続する際、それぞれの電子光学系で発生した電界あるいは磁界を同一光学系内で遮蔽する遮蔽シールド１５２をカラム内に配置してもよい。

本実施例においてはカラム１０１を移動させているが、多数並べて広い範囲をカバーしているので、カラムは固定して試料基板２５を移動して検査してもよい。この場合カラム１本の場合と比べて試料移動範囲が小さくてすむので、小型高速な検査装置が得られる。
また、本実施例において、第１の真空室１５０を準備室、第２の真空室１５１をプロセス室として用いても良い。プロセスとは、たとえば、エッチング、成膜、イオン注入などの工程で主に真空を使うもので、これらは、プロセス後の検査や確認に、一度大気中に取り出す必要があり、電子線で検査する場合には再度真空引きするという工程が必要となる。そのため、準備室もしくは試料を真空導入後の搬送室内にＳＥＭカラムを多数配置して検査すると工程が短縮できるという利点がある。

例えば、図１６の装置は、一辺１ｍから２ｍの大型の平面ディスプレーパネルの製造装置に応用した例で、搬送室の周りにプロセス室１６０が４個、予備排気室１６２が２個接続され、各室間のパネル１６１の移動は搬送装置１６３により行なわれる。装置全体は真空ポンプで排気され、各部屋を仕切っているゲートバルブが、試料パネル１６１出し入れの際に開く。

各プロセス室１６０で処理後に搬送室１６４中でＳＥＭカラム１０１により欠陥や異物、プロセス条件の確認などを行なうことが可能になるので、検査工程を大幅に短縮できる、あるいは歩留まりが上がるという効果がある。また、カラムの移動手段１４によりカラムを動かして用いることができるので、搬送室内に内蔵して使え、ＳＥＭ機能を付加しても安価で床面積の増加も抑えられるという利点がある。

以上、実施例をあげて説明したように、本発明を用いれば、ポンプと二次電子検出器を内蔵した超小型で高感度かつ高分解能のSEMが実現される。さらに、超小型で三次元構造の観察を行なうSEM装置や、カラム移動式、マルチカラム式のSEM装置など、高機能の電子線応用装置が実現される。

本発明の実施例１を示す図。 バルブの動作を示す図。 本発明の電子線応用装置の電子光学系の詳細を示す図。 半導体検出器を示す図。 電流検出器の内部構成を示す図。 電子線の一態様を示す図。 検出される２次電子の条件を示す図。 試料から放出された電子の放出角を示す図。 ドリフト管内の一実施態様を示す図。 本発明の実施例２の模式図。 ３次元構造の検出方法を示す図。 ３次元構造の検出方法を示す図。 イオンビーム装置に適用したときの模式図。 イオンビームカラム内の概略図。 本発明の実施例４の概略図。 ディスプレーパネルの製造装置への応用例を示す図。

符号の説明

１ドリフト管、２対物レンズ試料側電極、３対物レンズ内側電極、４引き出し電極、５電子源、６サプレッサ電極電極、７電子検出器、８コントローラ、９ディスプレー、１０バルブ、１１非蒸発ゲッタポンプ、１２ハウジング、１３ヒータ、１４移動手段、１５試料ステージ、１６真空容器、１７調整電極、１８バイメタル、１９弁、２０電子線プローブ、２１アパーチャプレート、２２電子銃部、２３ガイシ、２４偏向器、２５試料基板、２６電流検出器、２７試料移動機構、５０オペアンプ、６０電界放射型電子源、６１フィラメント、８０反射電子検出器、９０Ｗｉｅｎフィルタ、９１曲げられた反射電子の中心軌道、９２曲げられた二次電子の中心軌道、１００ナノ金型、１０１本発明のＳＥＭカラム、１２２反射電子分布、１２３二次電子分布、１２０二次電子検出器、１３０イオン源、１３１収束イオンビームカラム、１３２イオンビームプローブ、１３３イオンビームカラム中の二次電子軌道、１５０第１の真空室、１５１第２の真空室、１５２遮蔽シールド、１６０プロセス室、１６１試料パネル、１６２予備排気室、１６３搬送装置、１６４搬送室。

Claims (20)

1. 荷電粒子線源と、
   当該荷電粒子線源より放射された荷電粒子線を加速させるための手段と、
   ドリフト領域を構成するドリフト管と、
   前記荷電粒子線が照射される試料を載置する試料ステージと、
   前記試料に荷電粒子線を照射して発生する二次電子または反射電子を検出する検出器と、
   前記荷電粒子線の通過する開口部を有する対物レンズとを備え、
   該対物レンズは前記ドリフト管と試料ステージの間に配置され、
   前記荷電粒子線源は前記ドリフト管の外部に配置され、
   前記検出器が前記ドリフト管内に配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 荷電粒子線源と、
   当該荷電粒子線源より放射された荷電粒子線を加速させるための手段と、
   ドリフト領域を構成するドリフト管と、
   前記荷電粒子線が照射される試料を載置する試料ステージと、
   前記試料に荷電粒子線を照射して発生する二次電子または反射電子を検出する検出器と、
   荷電粒子線の通過する開口部を備えた対向電極を有する静電型対物レンズと、
   該対物レンズは前記試料側に配置された第一の電極と荷電粒子線源側に配置された第二の電極を備え、
   前記ドリフト管と前記検出器とを同電位に保つための手段を備え、
   前記対物レンズの主面は前記第一の電極と前記試料台との間に形成され、
   前記荷電粒子線源は前記ドリフト管の外部に配置され、
   前記第二の電極は前記ドリフト管の下面に配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 少なくとも第一のカラムと第二のカラムを備えた荷電粒子線装置において、
   前記第一のカラムと第二のカラムに共通した試料を載置するための試料ステージと、
   前記第一のカラムと第二のカラムを移動させるカラム移動機構または前記試料を移動させるための試料移動機構と、
   前記第一のカラムと第二のカラムは
   荷電粒子線源と、荷電粒子線を加速するための手段と、ドリフト領域を構成するドリフト管と、前記荷電粒子線を前記試料に照射するための静電型対物レンズと、前記荷電粒子線を照射することで前記試料より発生した二次電子または反射電子を検出する検出器とを各々有し、
   前記ドリフト管内に前記検出器を備え、
   前記荷電粒子線源は各々前記ドリフト管の外部に配置され、
   前記第一のカラムと第二のカラムは前記試料ステージ表面に垂直な軸に対して対称に配置され、
   前記第一のカラムから前記荷電粒子線を試料に対し照射して発生する反射電子を、第二のカラムにおける検出器によって検出することを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 真空室内に複数のカラムを配置した荷電粒子線装置において、
   前記複数のカラムに共通した試料を載置する試料ステージと、
   前記複数のカラムを移動するための移動機構または前記試料を移動させるための試料移動機構と、
   前記複数のカラムは
   荷電粒子線源と、荷電粒子線を加速するための手段と、ドリフト領域を構成するドリフト管と、前記荷電粒子線を前記試料に照射するための静電型対物レンズと、前記荷電粒子線を照射することで前記試料より発生した二次電子または反射電子を検出する検出器とを各々有し、
   前記荷電粒子線源は各々前記ドリフト管の外部に配置され、
   前記ドリフト管内に前記検出器を備えていることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   前記対物レンズは前記試料より発生する二次電子または反射電子を加速させる手段を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   前記対物レンズは試料側に配置された第一の電極と荷電粒子線源側に配置された第二の電極を備えた静電型対物レンズであって、
   前記第二の電極は前記ドリフト管の下面と一体形成されることを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   前記対物レンズの主面は、前記対物レンズと前記試料ステージとの間に形成されることを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項１または２に記載の荷電粒子線装置において、
   前記荷電粒子線源と、荷電粒子線を加速させる手段と、ドリフト管と、対物レンズと、検出器とを含むカラムを備え、
   該カラムを移動させるカラム移動機構を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項１または２に記載の荷電粒子線装置において、
   前記試料を移動させる試料ステージ移動機構を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
    前記ドリフト管内における前記第二の電極から前記検出器までの距離Ldetは
    前記第一の電極と第二の電極との距離Lobjと、前記対物レンズの開口部の大きさDobjと、前記検出器の検出領域の外径D2から、
    

    

    により定めることを特徴とする荷電粒子線装置。
11. 請求項１〜４のいずれかに記載の荷電粒子線装置において、
    前記ドリフト管への印加電圧と、荷電粒子線源への印加電圧と、試料への印加電圧とを制御するコントローラを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
12. 請求項１〜４のいずれかに記載の荷電粒子線装置において、
    前記ドリフト管への印加電圧は４kV〜２０kVの正電圧であることを特徴とする荷電粒子線装置。
13. 請求項１〜４のいずれかに記載の荷電粒子線装置において、
    前記領域はドリフト領域であって、
    該ドリフト領域は、前記コントローラにより各々の印加電圧を制御することによって形成されることを特徴とする荷電粒子線装置。
14. 請求項１〜４のいずれかに記載の荷電粒子線装置において、
    前記検出器は複数の独立した検出領域を有し、該複数の検出領域から各々独立して信号を取り出す手段を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
15. 請求項１〜４のいずれかに記載の荷電粒子線装置において、
    前記試料に荷電粒子線を照射して発生した二次電子と反射電子を独立に検出する手段を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
16. 請求項１〜４のいずれかに記載の荷電粒子線装置において、
    前記二次電子と反射電子を独立に検出する手段とは、対物レンズ下面に配置された反射電子検出器であることを特徴とする荷電粒子線装置。
17. 請求項１〜４のいずれかに記載の荷電粒子線装置において、
    前記二次電子と反射電子を独立に検出する手段とは、前記ドリフト管の内部配置された電界コントロール電極またはＷｉｅｎフィルタであることを特徴とする荷電粒子線装置。
18. 請求項１〜４のいずれかに記載の荷電粒子線装置において、
    前記荷電粒子線源と引き出し電極を含む電子銃部を備え、
    該電子銃部を真空排気するための非蒸発ゲッタポンプと該非蒸発ゲッタポンプ加熱手段を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
19. 請求項１８に記載の荷電粒子線装置において、
    前記電子銃部の真空隔壁の一部にガスのバイパス手段を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
20. 請求項１９に記載の荷電粒子線装置において、
    前記ガスのバイパス手段として、バイパス穴とこれを開閉する加熱変形素子とを設けることを特徴とする荷電粒子線装置。

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