(57)【要約】【課題】  真空チャンバ６内に設置したサンプル７などの対象物に電子ビーム２などの荷電粒子を照射して、対象物の分析あるいは対象物表面へのパターンの描画を行う荷電粒子応用装置において、対象物表面での電荷の蓄積、帯電を荷電粒子の照射部位、非照射部位に関わらず防止し、真空チャンバの物理的ダメージも防止する。【解決手段】  サンプル７などの対象物の荷電粒子照射面に接触するラジカル１９を対象物の近傍で発生させるラジカル発生手段、たとえば、対象物の荷電粒子照射面に接触するようにガス１５を供給するガス供給源１４やガス導入口１６などのガス供給手段と、対象物の荷電粒子照射面に紫外線１７を照射するＵＶ照射装置１８とを設ける。これにより、対象物の荷電粒子照射面上の電荷をラジカル１９によって速やかに中和することができ、荷電粒子の照射部位、非照射部位に関わらず電荷の蓄積、帯電を防止できる。一方でラジカル１９は対象物の近傍で発生して短時間で消滅するので、ラジカル１９による真空チャンバ６の物理的ダメージも防止できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空チャンバ内に設置した対象物に荷電粒子を照射して対象物の分析あるいは対象物表面へのパターンの描画を行う荷電粒子応用装置において、前記対象物の荷電粒子照射面に接触するラジカルを前記対象物の近傍で発生させるラジカル発生手段を備えた荷電粒子応用装置。
【請求項２】
ラジカル発生手段は、対象物の荷電粒子照射面に接触するようにガスを供給するガス供給手段と、前記対象物の荷電粒子照射面に紫外線を照射するＵＶ照射装置とで構成されている請求項１記載の荷電粒子応用装置。
【請求項３】
ガスが酸素とオゾンとの内の一方、あるいは双方の混合物であり、ＵＶ照射装置が波長１８５ｎｍおよび２５４ｎｍの紫外線を照射する請求項２記載の荷電粒子応用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物に荷電粒子を照射して対象物の分析あるいはその表面へのパターンの描画を行う荷電粒子応用装置に関し、特に対象物表面でのチャージアップを防止する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子応用装置の一つである走査型電子顕微鏡（SEM：Scanning Electron Microscope）を図４に示す。一般に走査型電子顕微鏡は、電子銃１から出射した電子ビーム（荷電粒子）２を集束レンズ３で集束し、偏向板４で偏向し、対物レンズ５によって、真空チャンバ６内に設置された半導体ウエハや半導体チップ等のサンプル７上に結像し、サンプル７より放出される２次電子８を２次電子検出器９で検出するように構成されており、サンプル７上を電子ビーム２で走査した際に検出される２次電子８に基づいて、図示しない装置で画像処理し、サンプル表面の凹凸パターンを画面上に表示する。１０は真空チャンバ６内を所定の真空度となるように排気する真空ポンプ、１１はサンプル台である。
【０００３】
ところが従来の走査型電子顕微鏡では、例えばＳｉウエハ上に形成した絶縁膜の形状を観察する場合などに、電子銃１によって照射された電子が基板側に流れ込まず、絶縁膜の表面が帯電（チャージ）してしまい、２次電子像が見えなくなることがある。これを避けるために、サンプル表面にＡｕやＣｕ等の導電材料を薄く（１０ｎｍ程度）蒸着して観察する方法が古くから用いられているが、半導体集積回路素子の形成に本来は必要でないＡｕ、Ｃｕ等の蒸着工程を要することになり、拡散中の製品を観察するインライン観察ができない。
【０００４】
また走査型電子顕微鏡をはじめとする荷電粒子応用装置では、基板表面の例えばフォトレジストなどの絶縁物の領域に入射電荷が蓄積され、絶縁物に高電界が発生し、基板上に既に形成されている電子回路が破壊されることがある。
【０００５】
そこで、図５に示した走査型電子顕微鏡などにおいて、プラズマ発生装置１２で発生させたプラズマ１３を、荷電粒子が照射されるサンプル表面に接触するように導入することにより、入射電荷をサンプル表面で中和し、蓄積を防止することが提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開平７−４５２２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記したようにプラズマを導入する方式では、荷電粒子を照射する部位での電荷の蓄積、帯電は避けられるものの、それ以外の部位にプラズマが拡散してサンプル（対象物）に電気的ダメージ（つまり非照射部位への電荷蓄積、帯電）を与える他、真空チャンバの内壁への物理的ダメージ（ラジカルによるスパッタ等）、それによる重金属などの汚染も懸念される。
【０００７】
本発明は、上記問題に鑑み、対象物表面での電荷の蓄積、帯電を荷電粒子の照射部位、非照射部位に関わらず防止することができ、真空チャンバの物理的ダメージも防止できる荷電粒子応用装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明は、真空チャンバ内に設置した対象物に荷電粒子を照射して対象物の分析あるいは対象物表面へのパターンの描画を行う荷電粒子応用装置において、前記対象物の荷電粒子照射面に接触するラジカルを前記対象物の近傍で発生させるラジカル発生手段を設けたことを特徴とする。これによれば、対象物の荷電粒子照射面上の電荷をラジカルによって速やかに中和することができ、荷電粒子の照射部位、非照射部位に関わらず電荷の蓄積、帯電を防止できる。一方でラジカルは対象物の近傍で発生するが、ラジカルとして存在できる時間が短く、真空チャンバの側壁まで到達することができないため、ラジカルによる真空チャンバの物理的ダメージも防止できる。
【０００９】
ラジカル発生手段は、対象物の荷電粒子照射面に接触するようにガスを供給するガス供給手段と、前記対象物の荷電粒子照射面に紫外線を照射するＵＶ照射装置とで構成することができる。荷電粒子照射面に供給したガスをその荷電粒子照射面でラジカル化して中和に使用することになる。
【００１０】
ガスが酸素とオゾンとの内の一方、あるいは双方の混合物であり、ＵＶ照射装置が波長１８５ｎｍおよび２５４ｎｍの紫外線を照射するのが好ましい。これにより発生する酸素ラジカルは反応性が高いからである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の荷電粒子応用装置は、対象物の荷電粒子照射面上の電荷をラジカルによって速やかに中和できるので、荷電粒子の照射部位、非照射部位に関わらず電荷の蓄積、帯電を防止することができ、前記ラジカルによる真空チャンバの物理的ダメージ、それによる重金属などの汚染も防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１実施形態における荷電粒子応用装置である、走査型電子顕微鏡の構成を示す断面図である。先に図４を用いて説明した従来のものと同様の作用を有する部材には図４と同じ符号を付す。
【００１３】
図１に示す走査型電子顕微鏡は、半導体ウエハや半導体チップ等のサンプル７が設置される真空チャンバ６と電子銃１との間に、電子銃１から出射された電子ビーム（荷電粒子）２を集束する集束レンズ３と、前記電子ビーム２を偏向する偏向板４と、前記電子ビーム２をサンプル７上に結像する対物レンズ５とを配置し、真空チャンバ６内に、サンプル７を載置するためのサンプル台１１と、サンプル７より放出される２次電子８を検出する２次電子検出器９とを配置し、真空チャンバ６外に、槽内を所定の真空度となるように排気する真空ポンプ１０を設けている。
【００１４】
この走査型電子顕微鏡が従来のものと相違するのは、真空チャンバ６に、ガス供給源１４に接続されてサンプル７表面に接触するようにガス１５を導入するガス導入口１６と、サンプル７表面に紫外線１７を照射するＵＶ照射装置１８とを配置して、サンプル７表面に接触するラジカル１９をサンプル７表面の近傍で発生できるようにした点である。ガス１５としてはオゾンなどの反応性ガス、具体的には酸素とオゾンとの混合ガス、酸素ガスとオゾンガスとの内の一方を好適に使用できる。
【００１５】
走査型電子顕微鏡によってサンプル７表面を観察する際の動作を説明する。
真空チャンバ６内を真空ポンプ１０によって所定の真空度、たとえば０.１〜３０Ｐａ程度となるように排気し、排気完了後にサンプル７を図示しない搬入機構によりサンプル台１３上に設置する。
【００１６】
次に、ガス供給源１４よりガス導入口１６を通じてガス１５をサンプル７表面に均等に分布するように供給しつつ、槽内の真空度を真空ポンプ１０により０.１〜３０Ｐａ程度に調節する。次に、ＵＶ照射装置１８を点灯して波長１８５ｎｍおよび２５４ｎｍの紫外線１７をサンプル７表面に照射する。
【００１７】
このことにより、ガス１５中の酸素に紫外線１８５ｎｍが吸収されてオゾンが発生する一方で、オゾンに紫外線２５４ｎｍが吸収されて酸素ラジカル１９が生成する。なおこの光励起反応がサンプル７表面で起こるようにガス導入口１６、ＵＶ照射装置１８を配置しておく必要がある。ここではガス導入口１６はサンプル７表面に沿う方向のガス流れを作るようにサンプル台１３の側方に開口し、ＵＶ照射装置１８はサンプル台１３の斜め上方に複数個配置している。ＵＶ照射装置１８は、紫外線をサンプル７の全面に照射する配置でもよいし、局所的に、特に観察部分のみに照射する配置でもよい。
【００１８】
この状態で、電子銃１より電子ビーム（荷電粒子）２を出射して、偏向板４、対物レンズ５を通してサンプル７上を走査し、サンプル７より放出される２次電子８を２次電子検出器９で検出し、図示しない装置で画像処理して、サンプル７上に所定パターンで形成されたシリコン酸化膜などの絶縁膜の表面の凹凸パターンの画像を画面上に表示させる。
【００１９】
その際に、上記したように励起されサンプル７表面に接触している酸素ラジカル１９（励起状態の酸素原子）が、サンプル７表面に入射した荷電粒子を吸着して電荷を中和するため、サンプル７表面での電荷の蓄積、帯電が回避されることとなる。その結果、サンプル７表面の凹凸パターンの画像が鮮明に表示される。上述した従来装置で発生していた電荷蓄積による不都合、たとえば、電荷による電界が基板側に集中し、その強度によってはサンプル７表面の絶縁膜が破壊することなどは防ぐことができる。
【００２０】
なおこの実施形態では、ガス導入口１６を通じて常にガス１５を導入し、ＵＶ照射装置１８によって常にサンプル７表面を照射しているように表現したが、この処理は一定間隔（たとえば常時ガス導入、紫外線間欠照射）でもよいし、観察終了後だけでもよい。
【００２１】
ＵＶ照射装置１８は、図２に示すように、互いに異なる波長の紫外線を発生する２種類のＵＶランプ１８ａ，１８ｂを組み合わせて、一方のＵＶランプ１８ａで紫外線１８５ｎｍを発光し、もう一方のＵＶランプ１８ｂで紫外線２５４ｎｍを発光するのが都合よい。２種類のＵＶランプ１８ａ，１８ｂは図示したように複数個ずつ用いて交互に配列してもよいし、１個ずつであってもよい。また、それぞれの波長毎に独立したＵＶ照射装置として構成して並べてもよいし、石英製低圧水銀ランプなどのように両波長を同時に発生可能なランプを用いてもよい。
【００２２】
図３は本発明の第２実施形態における荷電粒子応用装置である、収束イオンビーム描画装置の構成を示す断面図である。
この収束イオンビーム描画装置が上記した走査型電子顕微鏡と相違するのは、電子銃１，２次電子検出器９に代えてイオン源２０、たとえばガリウムイオン源が設置されていて、このイオン源２０から放射し、加速電極（図示せず）によって加速したイオンビーム２１をサンプル７上に入射させて、シリコン酸化膜などの絶縁膜上に微細なパターンを描画する点である。
【００２３】
この収束イオンビーム描画装置でも、ガス供給源１４，ガス導入口１６より供給するガス１５とＵＶ照射装置１８より照射する紫外線１７とによって、サンプル７表面でラジカルを発生させることにより、イオンビーム２１にて入射した荷電粒子をサンプル７表面で中和できるので、極微細なパターンを精度良く描画することができる。従来装置では、絶縁膜表面が帯電することにより、その電界の影響をイオンビームが受けることとなり、微細なパターンを精度良く作成するのが困難であったのに較べて優れるものである。
【００２４】
この収束イオンビーム描画装置でも、ガス１５の導入および紫外線１７の照射を常時行ってもよいし、一定間隔あるいは観察終了後だけ行ってもよい。
なお上記した各実施形態では、表面絶縁物がシリコン酸化膜である場合について示したが、通常良く用いられているシリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、高融点金属酸化膜、フォトレジスト等の感光性有機高分子膜であっても、同様に処理して同様の効果を得ることができる。
【００２５】
また、走査型電子顕微鏡を荷電粒子応用分析装置の一例として挙げ、収束イオンビーム描画装置を荷電粒子応用描画装置の一例として挙げて説明したが、これらに限定されない。荷電粒子応用分析装置は、透過型電子顕微鏡（TEM：Transmission Electron Microscope）、オージェ電子分光装置（AES：Auger Electron Spectroscopy）、２次イオン質量分析機（SIMS：Secondary Ion Mass Spectroscopy）等の、電子等の荷電粒子を用いて表面を分析する装置であってもよく、また荷電粒子応用描画装置は電子ビーム描画装置であってもよく、いずれも、上述したのと同様の作用、効果を奏する。
【００２６】
さらに本発明の装置構造を応用して、電子銃１やイオン源２０からの荷電粒子が原因となってサンプル表面に付着する有機系コンタミネーションの除去も可能である。これは、ＵＶによって有機化合物の結合が切断されることを利用するもので、ＵＶ照射面の有機化合物はＣ，Ｈ，Ｏ，Ｎラジカルなどのフリーラジカルや、Ｃ，Ｈ，Ｏ，Ｎを含んだ励起状態の分子に変化するが、励起状態の酸素原子（Ｏラジカル）は強力な酸化力を持つため、他のフリーラジカルや励起状態の分子と反応して揮発除去してしまう。このためには真空チャンバ６への導入ガスがオゾンや酸素であるのが有利であるが、他のガス、他の波長でラジカルを発生させて荷電粒子の中和に用いることは可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の荷電粒子応用装置は、半導体ウエハや半導体チップ等の分析、加工に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態における荷電粒子応用装置である走査型電子顕微鏡の断面図
【図２】本発明の荷電粒子応用装置に用いられるＵＶ照射装置の構成図
【図３】本発明の第２実施形態における荷電粒子応用装置である収束イオンビーム描画装置の断面図
【図４】従来の走査型電子顕微鏡の断面図
【図５】従来の他の走査型電子顕微鏡の断面図
【符号の説明】
【００２９】
１    電子銃
２    電子ビーム
６    真空チャンバ
７    サンプル
８    ２次電子
９    ２次電子検出器
14    ガス供給源
15    ガス
16    ガス導入口
17    紫外線
18    ＵＶ照射装置
19    ラジカル
20    イオン源
21    イオンビーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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