JP3494152B2 - 走査形電子顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、検査する試料表面
に電子ビームを走査することで試料表面の形状あるいは
組成等を表す二次元の走査像を得る走査形電子顕微鏡に
関し、特に低加速電圧領域で分解能の高い走査像を得る
のに好適な走査形電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査形電子顕微鏡は、加熱形又は電界放
出形の電子源から放出された電子を加速し、静電又は磁
界レンズで細い電子ビーム（一次電子ビーム）とし、こ
の一次電子ビームを走査偏向器を用いて観察する試料上
に走査し、一次電子ビーム照射で試料から二次的に発生
する二次電子又は反射電子等の二次信号を検出し、検出
信号強度を一次電子ビーム走査と同期して走査されてい
るブラウン管の輝度変調入力とすることで二次元の走査
像を得る。一般の走査形電子顕微鏡では、負電位を印加
した電子源と接地電位にある陽極間で電子源から放出さ
れた電子を加速し、接地電位にある検査試料に電子ビー
ムを走査している。

【０００３】走査形電子顕微鏡が半導体素子製作のプロ
セス又は完成後の検査（例えば電子ビームによる寸法測
定や電気的動作の検査）に使われるようになった結果、
絶縁物を帯電なしに観察できる１０００ボルト以下の低
加速電圧で１０ｎｍ以下の高分解能が要求されるように
なってきた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】低加速電圧領域で高分
解能化を阻害している要因は、電子源から放出される電
子ビームのエネルギーのバラツキを原因とする色収差に
よる電子ビームのぼけである。低加速電圧の走査形電子
顕微鏡では、この色収差によるぼけを小さくするため、
放出される電子ビームのエネルギーのバラツキの小さい
電界放出形の電子源が主に用いられている。しかし、電
界放出形の電子源をもってしても、５００ボルトでの空
間分解能は１０〜１５ｎｍが限界で、ユーザの要求を満
たせないものとなっている。

【０００５】この問題の解決策として、電子源と接地電
位にある陽極間での一次電子ビームの加速は最終の加速
電圧より高い電圧値に設定し、接地電位にある対物レン
ズと負電位を印加された検査試料の間で一次電子を減速
することで最終の低加速電圧へ設定する方法がある（参
照：アイ・トリプルイー，第９回アニュアルシンポジュ
ウム オン エレクトロン イオン アンド レーザ
テクノロジーのプロシーデング，１７６〜１８６頁，IE
EE ９th Annual Symposium on Electron, Ionand Laser
Technology）。

【０００６】この方法の効果はすでに実験で確認されて
いるが、試料に高電圧が印加されているため、二次電子
が減速電界で鏡体内に引き込まれ検出することが困難で
あること、絶縁性の高い試料ステージを必要とすること
から、市販装置に採用された例はほとんどない。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は前述した課題に
対するブレイクスルーを提供するものである。本発明で
は、電子源と、電子源から発生した一次電子ビームを試
料上に走査する走査偏向器と、前記一次電子ビームを収
束する対物レンズと、一次電子ビームの照射により試料
から発生する電子を検出する検出器とを有する走査形電
子顕微鏡において、前記対物レンズの上磁極は、前記対
物レンズの上磁極以外の残部に対し電気的に絶縁される
と共に、正の電圧が印加されることを特徴とする走査形
電子顕微鏡を提供する。

【０００８】このように対物レンズの上磁極を対物レン
ズの残部から電気的に絶縁し、それに後段加速電圧を印
加することで、対物レンズ内を通過するときの一次電子
ビームの加速電圧を最終の加速電圧より高くすることが
でき、更に、上磁極に加速円筒を兼用させているので、
前記磁界レンズと静電レンズの中心を一致させることが
容易に実現できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による走査形電子
顕微鏡の実施例の概略図である。電界放出陰極１と引出
電極２との間に引出電圧３を印加すると、放出電子４が
放出される。放出電子４は、引出電極２と接地電位にあ
る陽極５の間でさらに加速（減速の場合もある）され
る。陽極５を通過した電子ビームのエネルギー（加速電
圧）は電子銃加速電圧６と一致する。本発明では、この
陽極５を通過した一次電子ビーム７を、さらに対物レン
ズ８を貫通して設けられた加速円筒９で後段加速する。
対物レンズ８内を通過するときの電子ビームのエネルギ
ーは、電子銃加速電圧６と加速円筒９に印加される後段
加速電圧１０の和になる。この後段加速された一次電子
ビーム１１を試料１２に印加した負の重畳電圧１３で減
速し、所望の加速電圧にする。この方法の実質の加速電
圧は後段加速電圧１０に関係なく、電子銃加速電圧６と
重畳電圧１３の差になる。

【００１０】陽極５を通過した一次電子ビーム７はコン
デンサレンズ１４，上走査偏向器１５，下走査偏向器１
６で走査偏向を受けた後、対物レンズ８の通路に設けら
れた加速円筒９でさらに後段加速電圧１０の加速を受け
る。後段加速された一次電子ビーム１１は、対物レンズ
８で試料１２上に細く絞られる。対物レンズ８を通過し
た一次電子ビーム１１は、対物レンズ８と試料１２間に
作られた減速電界１７で減速され、試料１２に到達す
る。

【００１１】この構成によれば、対物レンズ８を通過す
るときの一次電子の加速電圧は、最終的な加速電圧より
も高くなっている。この結果、最終的な加速電圧の一次
電子ビームを対物レンズ８に通す場合に比較すると、対
物レンズでの色収差が減少し、より細い電子ビーム（高
分解能）が得られる。対物レンズ８の一次電子ビームの
開き角は、コンデンサレンズ１４の下方に置かれた絞り
１８で決められる。絞り１８のセンタリングは調整つま
み１９で行う。図では機械的な調節を行っているが、絞
り１８の前後に静電又は磁界偏向器を設け、電子ビーム
を偏向させて調整してもよい。

【００１２】対物レンズ８で細く絞られた電子ビームは
上走査偏向器１５と下走査偏向器１６で試料１２上を走
査されるが、このとき上走査偏向器１５と下走査偏向器
１６の偏向方向と強度は、走査した電子ビームが常に対
物レンズ８の中央を通るように調整されている。試料１
２は重畳電圧１３が印加された試料ホルダ２０の上に固
定されている。試料ホルダ２０は絶縁台２１を介して試
料ステージ２２に載せられ、水平位置の調整が可能にな
っている。

【００１３】一次電子ビーム１１が試料１２を照射する
ことで二次電子２３が発生する。対物レンズ８と試料１
２間に作られた減速電界１７は二次電子２３に対しては
加速電界として働くため、対物レンズ８の通路内に吸引
され、対物レンズ８の磁界でレンズ作用を受けながら昇
っていく。対物レンズ８内を通過した二次電子２３は対
物レンズ８と下走査偏向器１６の間に置かれた吸引電極
２４の横方向電界で吸引され、吸引電極２４のメッシュ
を透過した後、１０ｋＶ（正電位）が印加されたシンチ
レータ２５で加速され、シンチレータ２５を光らせる。
発光した光はライトガイド２６で光電子増倍管２７に導
かれ電気信号に変換される。光電子増倍管２７の出力は
さらに増幅され、ブラウン管（図示せず）の輝度変調入
力になる。

【００１４】この構成の特徴は、コンデンサレンズ１
４，絞り１８，対物レンズ８を通過するときの電子ビー
ムの加速電圧は最終のエネルギーよりも高いことであ
り、特に色収差を支配する対物レンズ８を通過するとき
は更に後段加速が加わっていることである。典型的な例
では、電子銃加速電圧：１０００ボルト，後段加速電
圧：１０００ボルト，試料１２への負の重畳電圧：５０
０ボルトで、実質の加速電圧：５００ボルトである。対
物レンズ８を通過するときは２０００ボルトになってい
るため色収差は約５０％に減少し、加速電圧を５００ボ
ルトとした場合には１５ｎｍであったビーム径（分解
能）が、７ｎｍに改善される。

【００１５】前述の実施例では、二次電子２３を吸引電
極２４で電子通路外に取り出して検出していた。この方
法は重畳電圧１３が高くなると二次電子２３のエネルギ
ーが高くなるため、それに相応して吸引電極２４に与え
る電圧を高くする必要がある。その結果、一次電子ビー
ム（陽極５を通過した一次電子ビーム７）をも偏向して
しまう問題が生じる。

【００１６】図２に示す反射板を用いた実施例は、上述
の問題を解決し、高効率の検出を可能にする。本実施例
では、電子線通路に中央孔２８のある反射板２９を設け
る。

【００１７】反射板は、金，銀，白金等、電子照射によ
って二次電子を発生しやすい材料が表面にコーティング
されている。陽極５を通過した一次電子ビーム７は反射
板２９の中央孔２８を通過した後、加速円筒９に入る。
中央孔２８の径は、走査偏向器１５，１６で偏向した電
子ビームが反射板２９に衝突しない大きさに設定され
る。試料１２で発生し重畳電圧１３で加速された二次電
子２３は、対物レンズ８のレンズ作用で発散しながら加
速円筒９を通過し、反射板２９の裏面に衝突する。

【００１８】二次電子と軌道は異なるが、試料１２で発
生した反射電子も同様に反射板２９の裏面に衝突する。

【００１９】反射板２９の裏面で作られた二次電子３０
は吸引電極２４の電界で吸引され、図１と同様にシンチ
レータ２５，ライトガイド２６，光電子増幅管２７を経
て電気信号に変換される。この方式の特長は、試料に印
加する重畳電圧１３が高く二次電子２３の加速が高くな
っても、検出しているのは加速を受けていない反射板２
９で作られた二次電子３０であるため、吸引電極２４に
与える電圧が低くてよいことである。そのため、吸引電
極２４の発生する電界が陽極５を通過した一次電子ビー
ム７に与える影響を小さくすることができる。ここでは
吸引された二次電子の検出にシンチレータ２５を用いた
が、チャンネルプレートやマルチチャンネルプレート等
の電子検出増幅器を用いてもよい。

【００２０】図３は、反射板２９で作られた二次電子３
０を吸引する電界Ｅと直交して磁界Ｂを印加した例であ
る。この構造にすると、前述した吸引電界Ｅによる一次
電子ビームの偏向を補正することができる。すなわち、
陽極５を通過した一次電子ビーム７の偏向を磁界Ｂによ
る偏向で補正する。ここで３１′，３１″は吸引電界を
作る電界偏向電極で、３１″は二次電子３０が透過でき
るようにメッシュになっている。３２′，３２″は直交
磁場偏向コイルである（磁界Ｂを発生するコイル３
２′，３２″は、図にはシンボリックに表示してあ
る）。この直交磁場偏向コイル３２′，３２″が作る磁
界Ｂは電界Ｅと直交し、磁界Ｂの強さは加速された電子
ビーム７が受ける電界Ｅによる偏向を打ち消すように調
整されている。この実施例では直交磁場偏向コイル３２
を一組としているが、直交磁場偏向コイルを角度を持っ
て配置された二組とすれば、各組のコイルに流す電流等
を調整することによって電界との直交度を厳密に調整す
ることができる。直交磁場偏向コイル３２を二組とする
代わりに電界偏向電極を二組として電界の方向を調整し
ても、電界と磁界の直交度を厳密に調整することが可能
であることは言うまでもない。

【００２１】なお、図２及び図３に示した反射板２９を
用いる二次信号検出法は、加速円筒９が設けられていな
い場合、あるいは加速円筒９を接地した場合にも有効に
動作する。

【００２２】図４は、二次信号検出器を上走査偏向器１
５の上方に設けた実施例を示す。図では二次信号検出器
が上走査偏向器１５と絞り１８の間に設けられている。
図２と同様に反射板２９に中央孔２８が設けられている
が、ここでは一次電子ビームはまだ走査偏向をされてい
ないため、中央孔２８の大きさは最小一次電子ビームの
開口角を制限する絞り１８と同じ径であっても良い。図
の実施例では、絞り１８の下方に直径０.１mm の中央孔
２８を持った反射板２９が設置されている。絞り１８と
反射板２９を共用することも可能である。

【００２３】反射板２９を走査偏向器の下方に設置した
場合には、その中央孔２８の径は偏向した電子ビームが
衝突しない大きさに設定されていた。中央孔２８の大き
さを典型的な例で比較すると、下方に設置した場合は３
〜４mmの大きさが必要であるが、上方に設置した場合に
は０.１mm 以下でよい。このように、反射板を走査偏向
器の上方に設置すると反射板の中央孔を充分小さくでき
ることから、二次電子の反射板による捕獲効率が向上す
る。

【００２４】図４の実施例では、試料１２は対物レンズ
８の磁極ギャップ内に置かれている。この配置は対物レ
ンズ８の色収差係数を小さくするもので、より高分解能
を追及する形状である。試料ステージ２２も対物レンズ
８内に設けられる。

【００２５】図５は、走査偏向器の上方と下方の両位置
に二次信号検出器を設けた実施例である。上走査偏向器
１５の上に上検出器３３が、下走査偏向器１６と加速円
筒９の間に下検出器３４が設けられている。上検出器３
３及び下検出器３４は、図３及び図４に示すように、そ
れぞれ反射板２９ａ，２９ｂ，電界偏向電極３１ａ，３
１ｂ，直交磁界偏向コイル３２ａ，３２ｂ，シンチレー
タ２５ａ，２５ｂ，ライトガイド２６ａ，２６ｂ，光電
子増倍管２７ａ，２７ｂを備える。

【００２６】この実施例では、下検出器３４の反射板２
９ｂの中央孔２８ｂを通り抜けた二次電子又は反射電子
を上検出器３３で検出することができる。上検出器３３
で検出される二次信号は試料１２から垂直方向に出射し
た二次電子と反射電子を多く含むことから、下検出器３
４とはコントラストの異なった像が得られる。例えば、
半導体素子の製造プロセスにおけるコンタクトホールの
検査において、下検出器３４を用いると周囲からコンタ
クトホールの部分を強調した像が得られ、上検出器３３
を用いるとコンタクトホールの底部の精細な像が得られ
る。また、両検出器３３，３４の信号を演算することに
より試料の特徴を強調したコントラストを作ることも可
能である。

【００２７】走査像を上下どちらの検出器の出力で作る
かは、操作者の選択で行うこともできるが、予め決めら
れた条件で自動的に選択するようにしても良い。例えば
観察倍率が２０００倍以下では下検出器３４を選択し、
それより高い倍率では上検出器３３を選択する。また、
観察する試料によって選択するようにしても良い。この
場合には、観察する試料の種類を装置に入力する等の手
続きを行う。例えば、半導体素子のコンタクトホールの
観察が入力された場合には、ホール内部を強調する上検
出器３３を自動的に選択し、表面のレジストを観察する
場合には下検出器３４を選択する。

【００２８】なお、図４又は図５に示した実施例におい
て、加速円筒９を除去、あるいは加速円筒９を接地して
も、その効果は大きく、十分実用的である。

【００２９】図６は、マルチチャンネルプレート検出器
を用いて二次信号を検出する実施例である。マルチチャ
ンネルプレート３５は円板状で、一次電子ビームを通す
中央孔２８が設けられている。また、マルチチャンネル
プレート３５の下方にはメッシュ３７が設けられ、接地
されている。このような構成において、陽極５を通過し
た一次電子ビーム７はマイクロチャンネルプレートの中
央孔２８を通過した後、対物レンズで収束されて試料に
照射される。試料で発生した二次電子２３は、メッシュ
３７を通過してチャンネルプレート３５に入射する。チ
ャンネルプレート３５に入射した二次電子２３は、チャ
ンネルプレート３５の両端に印加された増幅電圧３８で
加速，増幅される。増幅された電子３９はアノード電圧
４０でさらに加速されてアノード４１に捕獲される。捕
獲された二次電子信号は増幅器４２で増幅された後、光
変換回路４３で光信号４４に変換される。光信号４４に
変換するのは、増幅器４２がチャンネルプレート本体３
５の増幅電圧３８でフローテングになっているためであ
る。光信号４４は接地電位の電気変換回路４５で再び電
気信号に変換され、走査像の輝度変調信号として利用さ
れる。

【００３０】ここで、アノード４１を２分割あるいは４
分割として二次電子２３の放出方向の情報を得ることも
可能である。この場合、増幅器４２，光変換回路４３，
電気変換回路４５が分割に相当する数だけ必要であるこ
と、分割された信号を演算する信号処理が行われること
はいうまでもない。

【００３１】図７は、単結晶シンチレータを利用して二
次信号を検出する実施例である。図７において単結晶シ
ンチレータ４６は、例えば円柱状のＹＡＧ単結晶を斜め
に切断し、その切断面に一次電子ビームを通過させるた
めの開口部４７を設けたものであり、その先端部には金
属又はカーボン等の導電性薄膜４８がコーティングさ
れ、導電性薄膜４８は接地されている。試料１２から発
生した二次電子２３がシンチレータ４６を照射すること
で発光した光は、斜め部分で反射し、円柱の部分が構成
するライトガイドで光電子増倍管２７に導かれ検出，増
幅される。なお、本実施例ではシンチレータ４６の発光
部とライトガイドを共にＹＡＧ単結晶により構成するも
のとして説明したが、二次電子を検出する発光部のみを
ＹＡＧ単結晶あるいは螢光体とし、ライトガイドをガラ
スや樹脂などの透明体で構成するようにしても良い。

【００３２】図７を用いて二次信号検出を効率的に行う
制御法について述べる。二次信号（例えば二次電子）２
３は対物レンズ８の磁場内を通過するためレンズ作用を
受け、二次電子のクロスオーバ４９が作られる。もし、
レンズ作用で二次電子がシンチレータ４６の開口４７に
焦点を結ぶと、ほとんどの二次電子が開口４７を通過し
てしまい検出できなくなる。そこで焦点を反射板前後に
結ぶように調整し、検出効率を上げている。実施例で
は、加速電圧（実質の加速電圧）を変えたときに二次電
子の焦点位置を変化させないように、後段加速電圧、試
料に印加する重畳電圧を制御している。

【００３３】磁界レンズの焦点距離は、レンズコイルに
流す電流をＩ、コイルの巻数をＮ、レンズ磁界を通過す
るときの電子の加速電圧をＶとして、変数Ｉ・Ｎ／Ｖ1/
2 の関数である。一次電子がレンズ磁界を通過するとき
の加速電圧は、Ｖｏを電子銃加速電圧、Ｖｂを加速円筒
に印加する後段加速電圧とするとき、(Ｖｏ＋Ｖｂ)であ
る。試料位置（焦点距離）が一定であることから、Ｉ・
Ｎ／(Ｖｏ＋Ｖｂ)1/2は常に一定値（＝ａ）になる。二
次電子がレンズ磁界を通過するときの加速電圧は、試料
に印加する重畳電圧をＶｒとするとき、（Ｖｒ＋Ｖｂ）
で、変数Ｉ・Ｎ／Ｖ1/2は次式で表される。

【００３４】 Ｉ・Ｎ／Ｖ1/2＝ａ（Ｖｏ＋Ｖｂ）1/2／（Ｖｒ＋Ｖｂ）1/2 ＝ａ｛１＋(Ｖｂ/Ｖｏ)｝1/2／｛(Ｖｒ/Ｖｏ) ＋(Ｖｂ/Ｖｏ)｝1/2 この式から、Ｖｒ／Ｖｏ，Ｖｂ／Ｖｏ比を一定で制御す
れば、二次電子の焦点位置は一定になる。すなわち、Ｖ
ｒ／Ｖｏ，Ｖｂ／Ｖｏ比を一定として後段加速電圧Ｖｂ
及び試料の重畳電圧Ｖｒを制御すれば、加速電圧（実質
の加速電圧）に依存することなく二次電子の焦点位置を
一定に制御できる。

【００３５】図８は、試料面に印加される電界を制御す
る制御電極を付加した例である。対物レンズ８と試料１
２の間に制御電極３６が設けられ、これに制御電圧５０
が印加されている。この制御電極３６には電子ビームが
通過する孔が開いている。この制御電極３６で、加速円
筒９と試料１２の間で試料１２の表面に加わる電界強度
を制御する。この構成は、試料に強い電界が印加される
と不都合な場合に有効である。例えば、半導体集積回路
の形成されたウェーハの強電界による素子破損の問題が
ある場合である。

【００３６】またウェーハ周辺が酸化膜で覆われている
場合の試料ホルダ２０との電気的非接触の問題に有効で
ある。より具体的には試料（ウェーハ）の側面，裏面が
絶縁体で覆われてしまうような場合、レターディングの
ための電気的な接続をすることが出来ない。また試料
（ウェーハ）１２は、試料ホルダ２０と対物レンズ８の
間で作られた電界中にあり、制御電極がない場合、試料
ホルダ２０に印加した重畳電圧１３と接地電位にある対
物レンズ８の中間の電位しか印加されないため、正常な
観察が出来なくなるからである。

【００３７】また制御電極３６の電位を重畳電圧１３が
印加された試料ホルダ２０の電位と同電位あるいは試料
ホルダ２０より数十ボルト正電位とすることで、素子の
破損やウェーハが試料ホルダ２０の電位から浮いてしま
うことを防ぐことができる。この場合、制御電極３６が
常に試料（ウェーハ）を覆うような充分な大きさにす
る。

【００３８】図９は制御電極を付加した場合の１例を示
す図である。

【００３９】試料（ウェーハ）１２の上方に一次電子線
が通過する開口５９を持った制御電極６０を設け、該制
御電極６０に試料ホルダ２０に印加する重畳電圧１３と
同一の電圧を印加する。試料ホルダ２０と同一電位の制
御電極６０を試料(ウェーハ)１２上に設置すると、ウェ
ーハは同一電位の金属で囲まれることになり、該ウェー
ハは囲んでいる金属の電位と同電位になる。厳密には陽
極５を通過した一次電子ビーム７を通す開口５９からの
電界の侵入が金属の電位との誤差になる。この誤差は概
略、試料（ウェーハ）１２の面積と開口５９の面積の割
合である。例えばウェーハが８インチで開口５９の直径
が１０mmであると、面積比は１／４００で電位の誤差は
１％となり十分小さな値となる。

【００４０】以上のような構成ではウェーハを囲んでい
る金属が有する電位と、同じ電位をウェーハに印加する
ことが可能となる。

【００４１】これにより、表裏面が絶縁膜で覆われてい
るようなウェーハであって、試料ステージなどと電気的
な接続ができない場合であっても、レターディングのた
めの電圧を印加することが可能となる。

【００４２】尚、この実施の形態では試料ホルダ２０の
内、少なくとも試料（ウェーハ）１２の下部に位置する
部分を重畳電圧１３を印加するための導電体で形成する
ことで、上述の如くウェーハは同一電位の金属で囲まれ
ることになる。試料ホルダはそのものが導電体であって
も良く、また試料ホルダ内に導電体を挿入しても良い。

【００４３】図１０は制御電極を付加した場合の他の１
例である。

【００４４】試料（ウェーハ）１２と対物レンズ８との
間に制御電極６０が設置され、該制御電極６０には試料
ホルダ２０に印加される重畳電圧１３と同じ電圧が印加
されている。これにより、試料（ウェーハ）１２は同一
電圧の印加された試料ホルダ２０と制御電極６０で囲ま
れることになり、前述したように試料(ウェーハ)１２が
絶縁膜で覆われていても、重畳電圧１３の電圧を試料
（ウェーハ）に印加させることが出来る。

【００４５】該制御電極６０の開口５９は通常は円形で
あるが、円形以外でも可能である。該開口５９の大きさ
は観察しようとする視野を妨げない大きさとする。この
実施の態様では開口５９の大きさは直径４mmである。制
御電極６０と試料(ウェーハ)１２との間隔が１mmなの
で、直径４mmの視野があることになる。また減速電界が
開口５９を通して、ウェーハまで到達しているため、二
次電子を効率よく対物レンズ８上に引き上げることが出
来る。開口径を小さくした場合は、減速電界が試料（ウ
ェーハ）１２に到達しないが、ウェーハを傾斜したり、
試料に凹凸がある場合にはこのような条件の方がよく、
非点収差の発生や視野ずれを低減することが出来る。

【００４６】試料（ウェーハ）１２の任意の場所を観察
するためにステージ２２が設けられている。ここでも
し、試料（ウェーハ）１２の中心点から大きく外れたと
ころを観察対象としたとき、試料（ウェーハ）１２を大
きく移動させる必要がある。このとき試料（ウェーハ）
１２が、制御電極６０から外れると、試料（ウェーハ）
１２の電位が変化し、一定のレターディング電圧を印加
することが出来なくなる。

【００４７】この事態に対処するため、この実施の態様
では試料（ウェーハ）１２の移動軌道に沿って制御電極
を形成している。この構成によりステージ２２によって
試料（ウェーハ）１２の位置が変化しても一定のレター
ディング電圧を印加でき、更に対物レンズ８と試料（ウ
ェーハ）１２間に生ずる電界による素子破壊を防止でき
る。

【００４８】また、この実施の態様ではウェーハの移動
範囲以上の大きさを持つ制御電極を配置することが望ま
しい。具体的には８インチウェーハの全面を観察するた
めの制御電極の直径は直径４００mmの大きさにする。こ
のような構成によってウェーハを如何に移動させても、
ウェーハに印加される電圧を一定に保つことができる。

【００４９】なお、本実施例では制御電極を平板状の電
極としたが、メッシュ状，多数の孔あるいはスリットが
形成された形状のものとすることによって、真空排気性
を向上させることもできる。この場合、孔径，スリット
幅はウェーハと制御電極の間隔よりも小さいことが望ま
しい。

【００５０】図１０では、一次電子６３ｃが制御電極６
０の開口５９を通過し、試料（ウェーハ）１２に照射さ
れると、二次電子６２が発生する。発生した二次電子６
２は一次電子６３ｃに対する減速電界で逆に加速されて
対物レンズ８の上方に導かれる。この際対物レンズ８の
磁界によって、レンズ作用を受けるため図に示すように
焦点を作りながら対物レンズ８上に導かれる。

【００５１】導かれた二次電子６２は反射板２９に衝突
し、二次電子３０を発生させる。この二次電子３０は対
向して置かれた負電位の印加された偏向電極３１′と正
電位の印加された偏向電極３１″の作る電界で偏向され
る。偏向電極３１″はメッシュで作られているので二次
電子３０はメッシュを通過してシンチレータ２５で検出
される。３２″，３２′は偏向コイルであり、偏向電極
３１′，３１″の作る電界と直交した磁界を作り、偏向
電極３１′，３１″の作る電界による一次電子線ビーム
６３ｂの偏向作用を相殺している。

【００５２】なお、図示していないが制御電極６４を冷
却することで一次電子ビーム６３ｃを試料に走査するこ
とにより発生する汚染（コンタミネーション）を減少さ
せることも可能である。

【００５３】図１１は制御電極を付加した場合の更に他
の１例である。

【００５４】電界放射陰極１，引出電極２，陽極５，コ
ンデンサレンズ１４，対物レンズ８，試料１２，試料ホ
ルダ２０，絶縁台２１，試料ステージ２２等の構成要素
は真空筐体６６に納められている。尚、真空排気系は図
示を省略している。

【００５５】ここで試料１２に負の重畳電圧が印加され
ている状態では、試料交換機構６７による試料交換作業
や、真空筐体６６内を大気にすることを避けなければな
らない。換言すれば、電子ビームを試料１２上に走査さ
せているときだけ重畳電圧１３を印加するようにすれば
よい。

【００５６】そこでこの実施の態様では試料の装着・交
換時の準備動作であるスイッチ６８が閉じて加速電圧６
が印加されている第１の条件と、電界放射陰極１と試料
１２の間に設けられたバルブ６９，バルブ７０の両者が
開いている第２の条件と、試料交換機構６７が試料１２
を試料ステージ２２に乗せるために通過するバルブ７１
が閉じている第３の条件とが全て満たされたときのみ、
スイッチ７２が閉じて試料１２に重畳電圧１３が印加さ
れる制御が行われている。

【００５７】また、試料ホルダ２０と試料ステージ２２
は放電抵抗７３を介して電気的に接続されており、スイ
ッチ７２が開放されると試料１２にチャージされた電荷
は試料ホルダ２０，放電抵抗７３，試料ステージ２２
（試料ステージ２２は接地されている）を介して一定の
時定数のもとに速やかに放電され、試料１２の電位が下
がるようになっている。放電抵抗は重畳電圧１３の電源
に内蔵しても良い。

【００５８】尚、電界放射陰極１の周囲の真空が設定値
以下であるという条件のもとに、陽極５から加速電圧の
印加が可能となり、更に真空筐体６６の真空が設定値以
上のときのみバルブ６９，７０が開放されるようなシー
ケンスが組み込まれていることは言うまでもない。

【００５９】またこの実施の態様では、上述の３つの条
件の全ての条件を満足したときに重畳電圧１３が印加さ
れるものとして説明したが、これらのうちの１つ或いは
２つの条件が満たされたときにスイッチ７２が閉じるよ
うにしても良い。

【００６０】図１２は制御電極を付加した場合の更に他
の１例であり、試料を傾斜することの出来る試料ステー
ジ２２を持った走査型電子顕微鏡に適用したものであ
る。この実施の態様では制御電極７６は試料７５内の上
部上面を覆うように取り付けられている。また見方によ
っては対物レンズの形状に沿って配置されているともい
える。対物レンズの形状は試料１２の移動を妨げないよ
うに形成されており、図１２のように傾斜装置を備えた
ような装置の場合、試料１２に向かって先鋭的な形状を
有している。このような条件下で形成された対物レンズ
に沿って制御電極を形成することによって、試料の移動
を妨げることなく制御電極を配置することが可能とな
る。

【００６１】またこの場合試料（ウェーハ）１２がどの
位置，どの傾斜角にあっても試料（ウェーハ）１２が試
料ホルダ２０と制御電極７６に包囲されるようになって
いる。この構成によれば試料（ウェーハ）１２の表面に
電界が生じない。２０ａは試料（ウェーハ）１２が傾い
た状態を示している。７４は試料ステージ２２に組み込
まれた傾斜機構である。この実施の態様では傾斜したと
きに制御電極７６と試料（ウェーハ）１２の間で作る電
界が変化しないように制御電極７６の開口６５の直径
は、開口６５と試料１２の距離より小さくすることが望
ましい。なお、制御電極７６に印加する電圧を試料１２
に印加する電圧より、数十Ｖ正電位とすることで二次電
子の検出効率を向上することが出来る。

【００６２】この際、レターディング用の電圧を試料に
印加するという目的上、試料に印加される電圧と、制御
電極に印加される電圧に基づく複合的な電界の作用を考
慮し、所望の電位が試料に印加されるように、試料と制
御電極のそれぞれに印加される電圧を設定することが望
ましい。

【００６３】また開口径を大きくし二次電子を吸引する
電界を試料１２に与えることも可能である。この場合は
傾斜することにより観察位置ずれが生じるが、予め傾斜
角とずれの量を計測し、電子ビームを偏向する。あるい
は試料ステージ２２を水平移動させる等の補正を行うこ
とにより、このずれをなくすことも可能である。この実
施の形態での制御電極７６は対物レンズ８の特性に影響
を与えないように非磁性体の材料で作られている。

【００６４】なお、この実施の態様では制御電極を試料
室の内部を覆うようにして配置しているが、必ずしもこ
のように配置する必要はない。即ち最低限、試料の移動
範囲に沿って形成されていればよく、このような構成に
よっても試料が、試料ホルダと制御電極に包囲されるこ
とになる。なおこれまで試料ホルダを、本願発明で言う
ところの導電体として説明してきたが、例えば導電体を
試料ホルダ上或いは下に配置するようにしても良い。ま
た上述してきた実施の態様の場合、試料以上に導電体を
大きく形成することで、試料（ウェーハ）が制御電極と
導電体にほぼ包囲され、一定のレターディング電圧を印
加することを可能ならしめている。

【００６５】図１３は制御電極を付加した場合の更に他
の１例である。この例では制御電極を対物レンズ８と試
料１２の間に接地するのではなく、励磁コイル７８，上
磁路７７，下磁路７９から構成される対物レンズ８のな
かで、試料１２に対向する位置にある下磁路７９を上磁
路７７と電気的に絶縁し、これに重畳電圧１３を印加し
ている。下磁路７９に印加する電位を試料１２より正電
位として二次電子を効率よく対物レンズ８上に導くこと
も可能である。

【００６６】図１４は、電界と磁界を組合せた電子ビー
ムの走査偏向器を説明する図である。走査偏向器の上に
二次電子検出器を設ける場合には、試料で発生した二次
電子が走査偏向器を通過するときに走査偏向器で偏向さ
れる。このため電子ビームの走査偏向角が大きくなる低
倍率時に二次電子の偏向も大きくなり、電子ビーム通路
の内壁に衝突してしまい検出できなくなる可能性があ
る。本実施例はこの問題を解決したものである。走査偏
向器は８極の静電偏向器５１ａ〜５１ｈと、磁界偏向器
５２ａ〜５２ｄで構成されている。

【００６７】いま、ｘ軸方向の偏向について考えると、
８極の静電偏向器のうち電極５１ｈ，５１ａ，５１ｂに
正電位を、５１ｄ，５１ｅ，５１ｆに負電位を印加して
偏向電界Ｅｘを作る。ここで、図１４に示すように、電
極５１ａ，５１ｅには大きさＶｘの電位を印加し、その
両側の電極５１ｈ，５１ｂ，５１ｄ，５１ｆにはその１
／２1/2 の大きさの電位を印加する。これは均一な電界
を作る方法として良く知られた方法である。電界と同時
に、磁界偏向器５２のコイル５２ａ，５２ｃに電流Ｉｘ
を流し、図示するように電界Ｅｘと直交する方向の磁界
Ｂｘを作る。この電界Ｅｘと磁界Ｂｘは下方から来る二
次電子に対しては偏向を打ち消し、上方からの一次電子
に対しては強めあうように働く。

【００６８】下方から来る二次電子に対する偏向θ(Ｓ)
は、下式のように磁界による偏向θ(Ｂ)と電界による偏
向θ(Ｅ)の差となる。

【００６９】 θ(Ｓ)＝θ(Ｂ)−θ(Ｅ) ＝Ｌ／８・Ｅｘ／Ｖｒ−（ｅ／２ｍ）1/2ＢｘＬ／Ｖｒ1
/2 ここで、Ｌは電界と磁界の作用距離、ｅとｍはそれぞれ
電子の電荷と質量、Ｖｒは二次電子が走査偏向器を通過
するときの加速電圧である。ＥｘとＢｘの比を下式とす
ると、下方から来る二次電子は偏向を受けないことにな
る。

【００７０】Ｂｘ／Ｅｘ＝（２ｍ／ｅ）1/2／８Ｖｒ1/2 一方、一次電子の偏向に関しては、磁界偏向に電界偏向
が加算され、下式のようになる。式中、Ｖｏは電子銃加
速電圧である。

【００７１】 θ(ｏ)＝θ(Ｂ)＋θ(Ｅ) ＝（ｅ／２ｍ）1/2ＢｘＬ／Ｖｏ1/2＋Ｌ／８・Ｅｘ／Ｖ
ｏ1/2 従って、二次電子を偏向しない条件での偏向角θ(ｏ)は
下式のようになる。

【００７２】θ(ｏ)＝（ｅ／２ｍ）1/2ＢｘＬ｛１＋
（Ｖｒ／Ｖｏ）1/2｝／Ｖｏ1/2 ここまではｘ軸方向への偏向について説明した。ｙ軸方
向への偏向も同様にして行う。すなわち、電極５１ｃの
電位をＶｙに、電極５１ｂ，５１ｄの電位をＶｙ／２1/
2 にし、電極５１ｇの電位を−Ｖｙに、電極５１ｆ，５
１ｈの電位を−Ｖｙ／２1/2 にして、ｙ軸方向の偏向電
界Ｅｙを発生する。同時に、磁界偏向器のコイル５２
ｂ，５２ｄに電流Ｉｙを流して電界Ｅｙと直交する磁界
Ｂｙを発生する。この電界Ｅｙと磁界Ｂｙは、前述と同
様に、下方から来る二次電子に対しては偏向を打ち消
し、上方から来る一次電子に対しては強め合うような大
きさとされる。

【００７３】実際にはｘ軸方向への偏向とｙ軸方向への
偏向とを組み合わせた偏向を行う。従って各偏向電極の
電位は、図１４に図示したように、ｘ軸方向への偏向電
位とｙ軸方向への偏向電位を足し合わせたものとなる。
なお、実際の装置では、この偏向器を上走査偏向器と下
走査偏向器の２段とし、偏向した一次電子が対物レンズ
のレンズ中心を通るようにする。そして、偏向電極の電
位Ｖｘ，Ｖｙ及び偏向コイル電流Ｉｘ，Ｉｙを上記の関
係を維持しながら時間変化させることにより試料上で所
望の一次電子ビームの走査が実現される。

【００７４】 次に、磁界形対物レンズのレンズ中心
と、加速円筒と試料の間で作られる静電レンズのレンズ
中心の関係について説明する。図１５は、磁界形対物レ
ンズ８の中心ＣＢと加速円筒９と試料１２の間に形成さ
れる静電レンズの中心ＣＥが一致していない場合の問題
点を説明する図である。この場合、後段加速された一次
電子ビーム１１は磁界レンズの中心ＣＢを通るように偏
向されるが、静電レンズの中心ＣＥからは距離ｄだけず
れて通過する。ずれ量ｄが大きくなると静電レンズのレ
ンズ作用に球面収差が加わり、走査像が歪んでしまう。

【００７５】 磁界形対物レンズのレンズ中心ＣＢと、
加速円筒と試料の間で作られる静電レンズのレンズ中心
ＣＥを一致させるためには、対物レンズの上磁極を試料
に対面するように突出させ、静電レンズの形成される試
料と加速円筒の間に磁界を作ることで両レンズの中心を
一致させる。この結果、後段加速された一次電子ビーム
が静電レンズのレンズ作用を受けることがないため、歪
みのない走査像を得ることができた。

【００７６】図１６は、磁界レンズと静電レンズの中心
の一致をより効果的に実現する対物レンズ８の構造を示
す。これまで示した実施例では、対物レンズ８の電子ビ
ーム通路内部に加速円筒９を挿入していた。この場合、
加速円筒が作る静電レンズと対物レンズの作る磁界レン
ズの軸中心がずれると分解能の低下を招くため、両者の
機械的中心を精度良く合わせる必要がある。この実施例
はこの点に着目したもので、対物レンズ８の上磁極５３
を下磁極５４の端部レベルまで突出させて、試料１２に
対面させる。さらに、上磁極５３を絶縁板５５で対物レ
ンズの残部から電気的に絶縁し、これに後段加速電圧１
０を印加している。

【００７７】本実施例によると、対物レンズ８のレンズ
中心を決定している上磁極と後段加速電極が兼用となっ
ているため、前述したような静電レンズと磁界レンズの
ずれを生じることがない。また、磁界レンズの上磁極５
３が試料１２に直接対面し、しかもこれに後段加速電圧
が印加されていることから、軸中心ばかりでなく、静電
レンズと磁界レンズのレンズ中心の位置をも一致させる
ことができる。

【００７８】

【発明の効果】本発明によれば、対物レンズ内を通過す
るときの一次電子ビームの加速電圧を最終の加速電圧よ
り高くすることができ、対物レンズで発生する収差によ
るビームのぼけを少なくすることができ、更に静電レン
ズと磁界レンズのレンズ中心の位置をも一致させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の概略図。

【図２】二次信号の検出に反射板を用いた実施例の説明
図。

【図３】二次信号の検出に反射板を用い、さらに二次電
子の吸引に直交する電界と磁界を用いて一次電子の偏向
を防止した実施例の説明図。

【図４】二次信号検出器を走査偏向器の上方に置いた実
施例の概略図。

【図５】走査偏向器の上方と下方の２箇所に二次信号検
出器を設けた実施例の概略図。

【図６】二次信号の検出にチャンネルプレートを用いた
実施例の説明図。

【図７】二次信号の検出にシンチレータを用いた実施例
の説明図。

【図８】試料へ印加される電界強度を制御した実施例の
概略図。

【図９】試料上に制御電極を備えた実施例の一例を示す
図。

【図１０】制御電極を備えた荷電粒子顕微鏡の一例を示
す図。

【図１１】制御電極を備えた荷電粒子顕微鏡の他の一例
を示す図。

【図１２】試料室内面に沿って制御電極が形成された荷
電粒子顕微鏡の一例を示す図。

【図１３】対物レンズ磁路の一部を制御電極とした例を
示す図。

【図１４】走査偏向器を電界と磁界の組合せとした実施
例の説明図。

【図１５】磁界レンズと静電レンズのレンズ中心を一致
させた実施例の説明図。

【図１６】磁界レンズの磁極と加速円筒を共用した実施
例の説明図。

【符号の説明】

１…電界放出陰極、２…引出電極、３…引出電圧、４…
放出電子、５…陽極、６…電子銃加速電圧、７…陽極５
を通過した一次電子ビーム、８…対物レンズ、９…加速
円筒、１０…後段加速電圧、１１…後段加速された一次
電子ビーム、１２…試料、１３…重畳電圧、１４…コン
デンサレンズ、１５…上走査偏向器、１６…下走査偏向
器、１７…減速電界、１８…絞り、１９…調整つまみ、
２０…試料ホルダ、２１…絶縁台、２２…試料ステー
ジ、２３…二次電子、２４…吸引電極、２５…シンチレ
ータ、２６…ライトガイド、２７…光電子増幅管、２８
…中央孔、２９…反射板、３０…反射板で作られた二次
電子、３１…電界偏向電極、３２…直交磁界偏向コイ
ル、３３…上検出器、３４…下検出器、３５…チャンネ
ルプレート本体、３６…制御電極、３７…メッシュ、３
９…増幅された電子、４０…アノード電圧、４１…アノ
ード、４２…増幅器、４３…光変換回路、４４…光信
号、４５…電気変換回路、４６…単結晶シンチレータ、
４７…開口、４８…導電性コーティング、４９…二次電
子のクロスオーバ、５０…制御電圧、51ａ〜５１ｈ…静
電偏向電極、５２ａ〜５２ｄ…磁界偏向コイル、５３…
上磁極、５４…下磁極、５５…絶縁板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−139985（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−171791（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−106466（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−223785（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−104960（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−19757（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/04,37/141,37/145 H01J 37/147,37/22,37/244

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子源と、電子源から発生した一次電子ビ
   ームを試料上に走査する走査偏向器と、前記一次電子ビ
   ームを収束する対物レンズと、一次電子ビームの照射に
   より試料から発生する電子を検出する検出器とを有する
   走査形電子顕微鏡において、 前記対物レンズの上磁極は、前記対物レンズの上磁極以
   外の残部に対し電気的に絶縁され、前記試料に対面する
   ように形成されると共に、正の電圧が印加されることを
   特徴とする走査形電子顕微鏡。
2. 【請求項２】電子源と、電子源から発生した一次電子ビ
   ームを試料上に走査する走査偏向器と、前記一次電子ビ
   ームを集束する対物レンズと、一次電子ビームの照射に
   より試料から発生する電子を検出する検出器とを有する
   走査形電子顕微鏡において、 前記試料に負の電圧を印加する手段を備え、 前記対物レンズの上磁極は、下磁極に対して電気的に絶
   縁され、前記試料に対面するように形成されると共に、
   正の電圧が印加されることを特徴とする走査形電子顕微
   鏡。