JPH02123652A - 後方散乱電子を利用して試料を分析する装置及び方法 - 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】 Δ、産業上の利用分野 本発明は、基板と電子部品の高速検査に関し、特に電圧
を抑えたまま形状や構造に関する情報をオンラインで与
える電子ビーム検査法の実施に関するものである。

Ｂ、従来技術 パッケージ技術とりわけＶＬＳ　Ｉ技術は複雑化し１寸
法が集積回路素子に近づいている機能要素の接続点が増
えている。絶縁性のパッケージ基板や回路素子の高速検
査を行なうＳＥＸ検査装置はこれまで低電圧を用いてき
た。小ビーム電流、小信号、試料電荷に対する耐性の低
さといった欠点は、試料の形状や構造に関する情報と対
比されるものである（ヤマザキ他“中間引出を用いた低
電圧による走査電子顕微鏡の電子銃の輝度の改良”ｆｌ
ｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　　ｉｎ　　ｓｃａｎｎｉｎｇ　
　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　ｍｘｃｒｏｓｃｏｐｅｇｕｎ　
　ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ　　ａｔ　　ｌｏｗ　　ｋＶ　
　ｕｓｉｎｇ　　ａｎｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ　ｅｘ
ｔｒａｃｔｉｏｎｌ、走査型電子顕微鏡、１９８４．１
．２３−２８１．高機能な基板上の欠陥パターンを検査
する場合、走査電子ビームには、高解像度や深い被写界
深度など電子光学的に望ましい特徴がある。さらに、電
子ビーム糸は。

ビームのアドレサビリティ　（ビームの位置指定能力）
やコラムの自動監視、自動制御など電子的な特徴も備え
る。電子ビーム応用システムの特性は、パッケージ基板
の高速検査に欠かせないものである。このような特性を
まとめれば次のようになる。

（１）低ビーム電圧、セラミックであれポリマであれ基
板表面の不要な電荷を避けるには、入射ビームの電圧は
１ｋＶ以下にする必要がある。

（２）大ビーム電流、電子検出時の信号対ノイズ比を太
き（したりデータ収集速度を速くするには１人材ビーム
電流はパッケージが耐えられる程度に太き（する必要が
ある。

（３）反射電子の収集、高エネルギーの後方散乱電子か
ら得られる信号は、２次電子よりも基板電荷による影響
が大幅に少ない。

（４）適当な解像度、パッケージ基板で問題となる機能
上の欠陥の大きさは約ｌｕｍ以上であるため、０．１な
いしＩｇｍの範囲の電子スポットの大きさが適当と考え
られる。

このように一般化した基準は５要約して述べることもで
きるが、これらは現実には達成されていない項目である
。たとえば、大ビーム電流と低ビーム電圧は明らかに対
立する基準である。上記のヤマザキの試験結果を第５図
に示した１Ｌｉｓｃｈｋｅ他の“集積回路の動的電子ビ
ーム検査用の電子光学系＋（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｏｐｔ
ｉｃａｌ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔ、ｉｏｎ　ｆｏｒ
ｄｙｎａｍｉｃ　Ｅ−ｂｅａｍ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｏｆ
　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔｓ）　、　Ｐｒ
ｏ、　ｏｆ　Ｍｉｅｒｏｃｉｒｃｕｉｔ　Ｅｎｇ、、１
９８３．４６５−４８３＋、第５図に示すとおり、ビー
ム電圧が約１ｋＶのとき、直−径ｌｕｍのスポットに使
用できるビーム電流は、ビーム電圧が１０ｋＶで使用で
きるビーム電流の約００２＠である。さらに、低ビーム
電圧と検出器の高効率という要件は、高速の検出系の場
合は矛盾する条件である。後方散乱電子を高速収集する
場合、シンチレータ光のバイブ光電子増倍管を用いた検
出器（ｓｃｉｎＬｉｌｌａｔｏｒ−１ｉｇｈｔ　ｐｉｐ
ｅ−ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｒｌｅｆｅｃＬｏ
ｒ）では、帯域幅が最大となる。ただし、オートラタ他
の“単結晶アルミン酸塩−一走査電子顕微鏡および電子
光学デバイスの透明スクリーン用新世代シンチレータ”
　（Ｓｉｎｇｌｅ　ｃｒｙｓＬａｔａｌｕｍｉｎａｔｅ
ｓ−−Ａ　　ｎｅｗ　　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　　ｏｆ
ｓｅｉｎｔｉｔｌ、ａｔｏｒｓ　ｆｏｒ　ｓｃａｎｎｉ
ｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　ａｎｄ
　ｔ、ｒａｎｓｐａｒｅｎｔ　５ｃｒｅｅｎｓ　１ｎｅ
ｌｅｃｔｒｏｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｄｅｖｉｃｅｓｌ　
　（走査型電子顕微鏡、１９８３．２．４８９−５００
）に述べられているとおり、検出器からの光出力はビー
ム電圧が下がると急激に低下する。オートラタは、単結
晶とＰ４７微粉のシンチレータの出力信号は１１子ビー
ム電流を一定にした場−合（３，ｌＸ１０−”Ａ）、加
速電圧の関数として表せることを示した。

電子ビームを用いた検査装置の状態を示す文献は次のと
おりである。

米国特許第３７３６４２２号４電界によって試料表面か
ら２次電子を放出させて２次電子の敢ｑ＝ｔを検出する
。

米国特許第４５５１６２５号、試料から２次゛電子を放
出させ、試料を加速電界、減速電界に置く装置を示す。

米国特許第４５８８８９１号、走査電子顕微鏡を対象と
する。

米国特許第４６４７７８２号、帯電粒子ビーム装置に関
する（厳密な関係はない）、ある特定のパターンを露光
するため受は側の電子ビームの断面積が変えられる。

特開昭（Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ　Ｐａ
ｔｅｎｔＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　）　５３−６５６５
２号、ビームの中心部以外はすべて遮る環状ビーム検出
器に関する。

米国特許第１０８５０３７号、これも励起ビームのまわ
りに位置づけられるセンサを用いて後方散乱電子を検出
する方法を採用している。

本発明は、従来技術に欠点があるとして、減速電界にお
いて収集する全く新しい装置を対象としている。

Ｃ９開示の概要 本発明により、絶縁性のパッケージ基鈑や回路素子の高
速検査を行なう装置は、ＳＥＭ装置の減速電界を用いて
、基板の電荷が最小となる第２クロスオーバ点の入射ビ
ームのエネルギーを減少させる。これにより、パッケー
ジ基板表面から放出された２次電子からの後方散乱電子
が選択的に分離される１本発明を適用する装置の電子ビ
ームは、ｍ子ビームのコラムネータによって方向づけら
れる。コラムネータによって円柱状になったビームは、
開口を持ったバイアス（偏向）板を通過する。この後ビ
ームは開口を持った検出器を通過する。Ｔ１子ビームの
円柱（コラム）は電気的に接地される。ビームは検出器
・を通過した後、バイアスが検出器とバイアス仮に対し
て負の状態に保たれた試料に向けられる。したがって試
料は負の高電位で浮遊した状態で、ビームの入射エネル
ギーが低減される。

負のバイアスは、入射ビームが第２クロスオーバ・エネ
ルギーでターゲットを打ち、検出器側で２次電子ではな
く後方散乱電子が収集されるように決定される。電荷が
最小の表面からの後ｊ：１敗乱電子をこのように選択的
に検出することで、試料表面の画像はより鮮明になる。

２次クロスオーバ・エネルギーの入射ビームによって得
られる後方散乱電子だけで形成される画像の鮮明度は、
従来法では全く予想されておらず明らかにされていない
。

本発明により、後方散乱電子の環状検出器は、装置の中
央部で最終レンズの下に置かれる。この検出器には半導
体またはシンチレータ型の素子のいずれかを使用できる
。１次ビームのエネルギーは５ないし３０ｋｅＶの範囲
すなわち入射する電子ビームが最終レンズ側から゛検出
器の入り口である開口を通過する前のエネルギーである
。電子のコラムの中の検出器は電子源より５ないし３０
ｋｅＶ高い電位に保たれる。試料にはかなり大きな負の
電圧が印加される。代表的な試料は、ビームの有効入射
エネルギーがこの試料に電荷を与えないレベルの絶縁材
料を挙げることができる。すなわち、試料の２次クロス
オーバ電位であり、この絶縁試料の電子放射係数は全体
で実質的に１に等しい。

本発明により、検出器の構成すなわち中心孔と外径を、
試料の作動距離とともに適宜決定することで、試料表面
の電荷に反応する低エネルギーの２次電子は、検出器の
中心孔に集中しこれを通過する。横速度成分が２次電子
よりかなり大きい後方散乱電子が収集される。その結果
この構成では、不要な２次電子を簡単に効果的に分離す
る方法が得られ、後方散乱電子の収集効率も向上する。

高エネルギーの後方散乱電子が基板表面の電荷によって
受ける影響は２次電子よりかなり小さいため、検出器か
ら得られる′出力信号も試料表面の電荷による影響を受
けにくくなる。

さらに、本発明で用いる環状噴出器は様々のセグメント
に分割することができる。すなわち放射状（半径方向）
または対角線の方向に分割して複数のセグメントができ
る。この方法により１反射電子の各セグメントからの信
号を適宜処理して画像情報を取り出すことができる。こ
れにより、マルチ（複数）セグメントとした検出器を減
速電界の中で組み合わせれば、ビームの有効入射エネル
ギーが低（でも（たとえばｌ　０ＯＯｅＶより低くとも
）、検出器の利得を高めて各セグメントの後方散乱電子
信号を得ることができる。

一実施例として、環状検出器を２つに分けることができ
る。この２つのセグメントからの信号を加減算すること
により、形状と構成の像がオンラインで得られる。低エ
ネルギーの入射エネルギーによって形状と構成に関する
情報を同時に取得するというこの装置特有の能力は、基
板や回路素子上の様々な欠陥を確認する方法として従来
技術では達成できない大きな効果な有するものである。

本発明の特徴は、最初に電子ビームを発生させて円柱状
にし、試料からの後方散乱電子を利用して試料を分析す
る方法にある０円柱状ビームはこの後、試料表面に向け
られる。試料表面から放出される２次電子は後方散乱電
子から分離され、後方散乱電子が検出される。

Ｄ、実施例 第１図は、減速電界によって低エネルギーの入射電子を
発生させる本発明の基本原理を示す、試料ＩＯは負の高
電位（−Ｖｓ）に保たれ、最終段のレンズ・アセンブリ
１２．１４からなる電子ビーム柱は接地される。したが
ってビームの有効入射エネルギーは大幅に低下する。試
料ＩＯは最終レンズ１４から距離Ｚｉの位置に置かれる
。１次ビーム・エネルギーと作動距離が同じ従来の装置
と比べると、減速電界を用いることで色収差、球面収差
の係数はかなり低くなる。（ビーセの“低電圧走査電子
顕微鏡法”ｌＬｏｗ　ｖｏｌｔａｇｅｓｃａｎｎｉｎｇ
　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍ１ｃｒｏｓｃｏｐｙｌ　、第９
回電子０イオン・レーザ・ビーム技術′に関するシンポ
ジウムの記録、１９７６．１７６−１８７、ヤウ“低エ
ネルギー集束電子ビームの発生と応用−ｆＧｅｎｅｒａ
ｔｉｏｎ　ａｎｄ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　
　ｆｉｎｅｌｙｆｏｃｕｓｅｄ　　ｌｏｗ　　ｅｎｅｎ
ｅｎｅｎｅｎｃＬｒｏｎ　　ｂｅａｎｓｌ、　１９８３
年スタンフォード大学学位論文、３８ページ）。

さらに、ビーム柱の大部分を高エネルギーで移動する電
子は、普通の低電圧ＳＥＭと比べると外部の電磁波によ
る影響を受けにくい。

減速電界を用いたこれまでの用途はほとんどが低電圧電
子ビーム・リソグラフィ（上記ヤウの文献）による低エ
ネルギーの２次電子（バデンの゛減速電界走査電子顕微
鏡法”　（Ｒｅ　ｔ、ａ　ｒ　ｄ　ｉ　ｎ　ｇ　ｔ　ｉ
　ｅ　ｌ　ｄｓｃａｎｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍ
１ｃｒｏｓｃｏｐｙ）　、　Ｊ、　　ｏ　ｆＰｈｙｓｆ
ｃｓ　　Ｅ、１９６８．１０７３−１０８０）を用いた
表面電界および磁界の画像化か。

または１次反射電子すなわち走査電子反射顕微鏡法にお
けるもの（ウイツザニイ他の“走査電子反射顕微鏡法＋
ｌｓｃａｎｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍｉｒｒｏｒ
ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）　、走査、１９８１．４．５３
−６１）のいずれかに焦点をあててき′た０本発明は複
数の検出器を用いることでこれら従来法とは区別される
ものである。検出器の構成を考慮し、後方散乱電子検出
器を減速電界に適切に位置づけることによって、パッケ
ージ基鈑の高速検査という要件を満足することができる
。

第１図に示すとおり、減速電界では試料側の放出電子は
検出器１６の方向へ加速される。第１図で、１次ビーム
、低エネルギーの２次電子、および後方散乱電子はそれ
ぞれの名称を記した。加速電圧は比較的高いため、低エ
ネルギーの２次電子は集束度か高く、検出されない、つ
まり図示のとおり、このような低エネルギー２次電子は
反射して集束し、最終段レンズ１２．１４に入射される
。逆に高エネルギーの後方散乱電子は横速度成分が２次
電子よりかなり大きく、検出器１６によって収集される
。第２図は、低エネルギー２次電子と１ｋＶ後方散乱電
子について検出器平面の入射角と試料表面の放射角の対
応を示したものである。この図は、減速電界における２
次電子と反射電子が、試料と検出器間の゛電位差を４０
００ボルトに保ったときにどう集束するかを示している
。

この実施例で後方散乱電子の検出器は環状である。中心
孔の直径２０は、横速度が遅い反射電子が多く収集され
るようできるだけ小さくする。必要があるゆなだし１次
電子が第１図の下向きの矢印の方向に通過でき、上向き
の矢印で示した２次電子を収集しない程度の大きさは必
要である。環状検出器１６の外径は、金属板の場合には
検出器のキャパシタンスが最小となるようできる限り小
さくする必要がある。シンチレータの場合、小径であれ
ば光の収集効率は最大になる。ただし検出器１６の外径
は試料から大きい角度で放出される後方散乱電子を収集
する程度の大きさにする必要がある。第１図の収集動作
は、検出器のほぼ環状の中間点で行なわれているが、後
方散乱電子が試料から様々な角度で放出されることは理
解されよう。

環状検出器の収集効率を予測するには、様々な形状で計
算を行なえばよい、′たとえば孔径な６ｍｍとすれば、
試料から大きい角度で放出される後方散乱電子をほぼす
べて収集する外径を選択できる、９次に、ビーム・エネ
ルギーと、試料／検出器間距離を変えて後方散乱電子に
ついて算定した収集効率は、１次ビームの強度ではな（
放出された後方散乱電子の強度に正規化される。このよ
うな計算では、試料と検出器の間の電界は均一であり、
後方散乱電子の角度強度分布（ａｎｇｕ　ｊａｒｉｎＬ
ｅｎｓｉｔｙ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）は正規余弦
従属性（ｎｏｒｍａｌ　ｃｏｓｉｎｅ　ｄｅｐ［！ｎｄ
ｅｎｃｅｌをもつと想定している。この計算の結果を、
試料／検出器間距離をＩＯないし２０ｍｍの範囲として
第３図に示した。

この範囲は電子ビーム顕微鏡法では典型的なものである
。

したがって第３図は、後方散乱電子の収集効率と所定エ
ネルギーを試料／検出器間距離（ｍｍ）の関数とした。

１次ビーム・エネルギーが５ｋＶの減速電界における後
方散乱電子の収集状態を示す、第３図かられかるとおり
、収集効率は、２００ｅＶないし１０００ｅＶの′エネ
ルギーを持つ後方散乱電子で４０％以上である。

第４Ａ図、第４Ｂ図は、本発明の第２実施例を示す、第
４Ａ図では共通要素については第１図と同じ符号を使っ
た。この実施例が第１図のものと異なるのは、後方散乱
電子検出器が２つ（１６Ａ、１６Ｂ）に分けられている
点である。（キモト他　“複数の検出器を用いた走査型
顕微鏡の立体ＩＯ察”　　（Ｓｔｅｒｅｏｓｃｏｐｉｃ
　　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　　ｉｎｓｃａｎｎｉｎｇ
　ｍ１ｃｒｏｓｃｏｐｙ　ｕｓｉｎｇ　ｍｕｌｔｉｐｌ
ｅｄｅｔｅｃｔｏｒｓｌ“電子マイクロブローブーに関
するＰｒｏ、Ｊ、ｏｆ　　Ｅｌｅｃｔｒｏ、５ｏｃ１９
６４．４８０−４８９を参照のこと、）１次ビームは、
第１実施例と同様、試料に向けられ、検出器は後方散乱
電子を遮る位置に置かれる。検出器１６Ａと検出器１６
Ｂからの信号はそれぞれ、最初に後方散乱プリアンプ２
２によって処理される。信号の処理は、所望の情報に応
じて、試料ｌＯの表面に関する構造データ（組成構造に
関するデータ）または形状データ（立体形状に関するデ
ータ）が得られるよう行なわれる。構造データを取る場
合、信号Ａ、Ｂが組み合わせられ、加算器２４がプロセ
ッサ２３の一要素となる。試料表面１［ａ状データを取
得する場合、［算器で信号の減算が行なわれる。こうし
て検出器を分別する方法を減速電界と組み合わせること
で、エネルギーが１０００ｅＶ以下の後方散乱電子につ
いて検出器の利得を高めて構造と形状の像が得られる。

これは、ＣＲＴ３０などの適当なデイスプレィに対する
入力として画像セレクタ２８に対応する信号を送ること
で実現される。

第４Ｂ図は信号処理を示す０図の左側は構造データがど
う取得されるかを、右側は形状画像データがどう取得さ
れるかを示す、第４Ｂ図は、２つの信号を加えた場合、
構造イメージか得られるが、形状の違いについての出力
はゼロであることを示す、ただし信号の減算では、試料
の高さと傾斜の差異の関数として形状イメージが得られ
る。これは、ポリイミド基板上の銅ビア・チエイン　１
ｃｏｐｐｅｒ　ｖｉａ　ｃｈａｉｎ）の検査、または６
４ｋＣＭＯ３ＲＡＭ　　などの素子のレイアウトをチエ
ツクするといった試料検査によって確認できる。

本発明により、良好な信号対ノイズ比で検査の高速化が
図れる。これは減速電位（Ｖｓ）が高ければ、色収差２
球面収差の係数を下げることができるからである。これ
は上記のヤウによって予測されている。このようなデー
タを基に、所定の大きさのスポットに供給される１次ビ
ーム電流は、減速電界を用いる場合には大きくなること
が予想される。これは軸上で、また０、５Ｂｍのオーダ
のスポット径について確認できる。′１４速電界の場合
、プローブ電流は、従来の装置で入射ビーム・エネルギ
ーを同じにしくｌ　ｋＶ）、作動距離を１５ｍｍ一定に
したときの約１０倍である。したがって、後方散乱電子
流は１次ビーム電流に比例するから、ｍ位時間に検出さ
れる電子が増えることになる。これによりプローブ電流
の容量を高めることが可能になる。

さらに、減速電圧を印加するときの画像に対する効果と
して、減速電圧に比例する倍率の低下が顕著になる。走
査領域が小さい場合は目立つような画像の劣化はなく、
従来のＳＥＭのように走査領域が大きい場合は修正が必
要になることがある。たと＾ば１０１００ｘｌＯＯ以上
の大きなパッケージを走査するため非富に大きいｆｉＵ
域を要する場合、小さい走査領域を組み合わせるか、ま
たはテーブル動作の同期をとることができる。このよう
なハイブリッド法は、ＥＥＥＳリソグラフィ閾置の装合
について報告されている（ヘリオツド他の“ＥＢＥＳ、
Ｂａ実用電子リすグラフィ装Ｍ−（ＥＢＥＳ、　Ｂａ　
ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｅｌｅｃｔｒｏｒ＋ｌｉｔｈｏｇ
ｒａｐｈｙ　ｓｙｓｔｅｍ）　、　　１９７５．　　Ｉ
　Ｅ　Ｅ　ＥＴｒａｎ、　　ｏｎ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｄｅｖｉｃｅｓ、２２．３８５−３９２）。

さらに１本発明による実験結果は、減速電界の後方散乱
電子信号が表面の電荷によって受ける影響が２次電子イ
エ号と比較してかなり小さいことを示している。ビーム
の有効入射エネルギーが１０００ｅＶから２００ｅＶに
下がったときでも、出力信号の分解能やコントラス′ト
が大きく低下することのないことが観測されている。

Ｅ１発明の効果 このように１本発明により、電子ビーム技術を応用した
検査は高速になり、従来法では解決されなかった互いに
矛盾する基準という問題がなくなる１本発明は、具体的
には大ビーム電流を使用できるようにし、横分解能を改
良するものである。

試料表面の電荷に対する信号の耐性が改善されるため、
低電圧で検出器の利得を高められる。さらに、本発明に
よって形状と構造の像を電圧を押えてオンラインで取得
できる。最後に、走査領域が小さい場合、減速電界によ
るひずみを容易に訂正することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は順次減速されるビームを示す側面概略図である
。 第２図は、後方散乱電子と低エネルギー２次電子の両方
について、検出器平面における放射角度を、試料側の放
射角度の関数゛とじた線図である。 第３図は、試料と検出器の距離を所定エネルギーの後方
散乱電子の収集率の関数とした線図である。 第４Ａ図は、本発明の装置の第２実施例を示す。 第４Ｂ図は、構成と形状の像を得るための検出器出力信
号を示す。 第５図は、従来の２つの公開文書で報告されたもので、
算定ビーム電流と測定輝度をビーム電圧の関数を示す線
図である。 ＩＯ・・試料、１２．１４・・レンズ、１６・・検出器
。 出願人　　インターナショナル・ビジネス・マシーンズ
・コーポレーション 代理人　弁理士　　山　　本　　仁　　朗（外１名） 試料力試射角（良〕 ム１０００　ｅＶｆＢＥ） ＋２００ｅＶ（８Ｅ） ２゜ 試料７枚だ＠間距離（ｍｍ） 第Ｓ図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料から放出される後方散乱電子を利用して当該
   試料を分析する装置であって、 電子ビームを生成する手段と、 当該電子ビームを円柱状にする手段と、 当該円柱状ビームを当該試料の表面に向ける手段と、 当該試料表面から放出される２次電子を後方散乱電子か
   ら選択的に分離する手段と、 当該試料表面から放出される電子を検出する手段とより
   なる装置。
2. （２）試料の特性を分析する方法であつて、電子ビーム
   を試料の表面に向け、当該電子ビームのエネルギーを調
   節してクロスオーバ・エネルギーに変える場を設定する
   ステップと、 当該試料から放出される低エネルギーの２次電当該後方
   散乱電子を検出するステップとよりなる分析方法。