(57)【要約】【課題】試料の材料組成を高い精度で分析することができる分析装置を提供する。【解決手段】実施形態の分析装置は、二次電子光学系と、少なくとも一つの検出器と、組成分析手段と、を持つ。前記二次電子光学系は、荷電粒子ビームを生成して試料に照射する荷電粒子ビーム源と、電界または磁界により前記荷電粒子ビームの焦点位置および軌道を制御するレンズとを含む。前記検出器は、前記荷電粒子ビームの照射により前記試料から発生する特性Ｘ線を検出する。前記組成分析手段は、検出された特性Ｘ線から前記試料を構成する材料の組成を分析する。各検出器は、その検出面の少なくとも一部が前記二次電子光学系から前記荷電粒子ビームが出射する出射面と同一の面または前記同一面よりも前記荷電粒子ビーム源側に位置するように配置される。【選択図】図１
2015170593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを生成して試料に照射する荷電粒子ビーム源と、電界または磁界により前記荷電粒子ビームの焦点位置および軌道を制御するレンズとを含む二次電子光学系と、
前記荷電粒子ビームの照射により前記試料から発生する特性Ｘ線を検出する少なくとも一つの検出器と、
検出された特性Ｘ線から前記試料を構成する材料の組成を分析する組成分析手段と、
を備え、
各検出器は、その検出面の少なくとも一部が前記二次電子光学系から前記荷電粒子ビームが出射する出射面と同一の面または前記同一面よりも前記荷電粒子ビーム源側に位置するように配置される、
分析装置。
【請求項２】
前記二次電子光学系を収容する鏡筒をさらに備え、
前記検出器は、前記鏡筒に接するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の分析装置。
【請求項３】
前記検出器の前記検出面と前記試料との間に配置され、前記特性Ｘ線の前記検出面への入射を遮蔽するシャッタ装置をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の分析装置。
【請求項４】
前記二次電子光学系から前記荷電粒子ビームが出射する出射面は、前記荷電粒子ビームの焦点位置を制御する対物レンズの底面であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の分析装置。
【請求項５】
複数の前記検出器を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料に電子ビームを照射すると、二次電子以外に特性Ｘ線が試料から発生する。この特性Ｘ線は、試料を構成する材料の元素に固有のエネルギーを有する。
【０００３】
従って、検出された特性Ｘ線のエネルギーを測定することにより、試料の材料組成を分析するエネルギー分散型Ｘ線分光法（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）（以下、単に「ＥＤＸ」という）が広く利用されている。
【０００４】
ＥＤＸを実現する分析装置については、半導体装置における微細化の進展に伴い、さらなる分解能が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−７１７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、試料の材料組成を高い精度で分析することができる分析装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の分析装置は、二次電子光学系と、少なくとも一つの検出器と、組成分析手段と、を持つ。前記二次電子光学系は、荷電粒子ビームを生成して試料に照射する荷電粒子ビーム源と、電界または磁界により前記荷電粒子ビームの焦点位置および軌道を制御するレンズとを含む。前記検出器は、前記荷電粒子ビームの照射により前記試料から発生する特性Ｘ線を検出する。前記組成分析手段は、検出された特性Ｘ線から前記試料を構成する材料の組成を分析する。各検出器は、その検出面の少なくとも一部が前記二次電子光学系から前記荷電粒子ビームが出射する出射面と同一の面または前記同一面よりも前記荷電粒子ビーム源側に位置するように配置される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態１による分析装置の概略構成を示すブロック図。
【図２】図１に示す分析装置の一変形例の要部を示す図。
【図３】実施形態２による分析装置の概略構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は適宜省略する。
【００１０】
添付の図面は、それぞれ発明の説明とその理解を促すためのものであり、各図における形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所がある。これらの相違点は、当業者であれば以下の説明と公知の技術を参酌して適宜に設計変更することができる。
【００１１】
以下の実施形態では、入射ビームとして走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：以下、単に「ＳＥＭ」という）において電子ビームを用いる場合を取り挙げて説明する。しかしながら、これに限ることなく、本発明の分析装置は、入射ビームとしてイオンビームその他の荷電粒子ビーム、粒子ビームを用いる場合にも同様に適用することが可能である。
【００１２】
（１）実施形態１
図１は、実施形態１による分析装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示す分析検査装置は、鏡筒９と、試料室８と、電子銃制御ユニット２２と、レンズ制御ユニット２３，７３と、偏向器制御ユニット２４と、信号処理ユニット２５と、画像生成ユニット２７と、ステージ制御ユニット２６と、制御コンピュータ２１と、シャッタ制御ユニット２８と、記憶装置ＭＲ１，ＭＲ２と、表示装置２９と、入力装置２０と、を含む。
【００１３】
制御コンピュータ２１は、材料組成分析ユニット６１と検査ユニット６３とを含み、電子銃制御ユニット２２、レンズ制御ユニット２３，７３、偏向器制御ユニット２４、信号処理ユニット２５、画像生成ユニット２７、シャッタ制御ユニット２８、ステージ制御ユニット２６、記憶装置ＭＲ１，ＭＲ２、表示装置２９および入力装置２０に接続される。
【００１４】
鏡筒９には、電子銃６と、コンデンサレンズ４と、偏向器５と、対物レンズ３と、二次電子検出器７を含む二次電子光学系が収容されている。
【００１５】
試料室８内には、特性Ｘ線ＣＸを検出するＥＤＸ検出器４１と、シャッタ装置５１と、ステージ１０と、アクチュエータ１２とが設けられる。  
ステージ１０は、試料としての基板１１を支持する。アクチュエータ１２は、所望の検査領域が視野に入るようにステージ１０をＸ，Ｙ，Ｚの３方向に移動させる。
【００１６】
ＥＤＸ検出器４１は、電子ビームＥＢの基板１１への照射により基板１１から発生する特定Ｘ線を検出する。一方、シャッタ装置５１は、特定Ｘ線を遮断し、非検出時に特定Ｘ線がＥＤＸ検出器４１の検出面ＤＬに入射することを防止する。ＥＤＸ検出器４１およびシャッタ装置５１については後に詳述する。
【００１７】
電子銃制御ユニット２２は、鏡筒９内の電子銃６に接続され、レンズ制御ユニット２３はコンデンサレンズ４に接続され、レンズ制御ユニット７３は対物レンズ３に接続され、偏向器制御ユニット２４は偏向器５に接続され、信号処理ユニット２５はＥＤＸ検出器４１に接続される。ステージ制御ユニット２６は試料室８内のアクチュエータ１２に接続される。
【００１８】
電子銃制御ユニット２２は、制御コンピュータ２１の指示に従って制御信号を生成し、この制御信号を受けて電子銃６が電子ビームＥＢを生成して出射する。出射した電子ビームＥＢは、コンデンサレンズ４により生成された磁界または磁界によって集束された後に、対物レンズ３により生成された磁界または磁界によって焦点位置が調整されて基板１１に入射する。
【００１９】
レンズ制御ユニット２３は、制御コンピュータ２１の指示に従って制御信号を生成し、この制御信号を受けてコンデンサレンズ４が電子ビームＥＢを集束する。
【００２０】
レンズ制御ユニット７３は、制御コンピュータ２１の指示に従って制御信号を生成し、この制御信号を受けて対物レンズ３が電子ビームＥＢの焦点位置を調整し、電子ビームＥＢをジャストフォーカスで基板１１に入射させる。
【００２１】
偏向器制御ユニット２４は、制御コンピュータ２１の指示に従って制御信号を生成し、偏向器５は偏向器制御ユニット２４から送られる制御信号により偏向電界または偏向磁界を形成して電子ビームＥＢをＸ方向およびＹ方向に適宜偏向し、これにより基板１１の表面を走査する。
【００２２】
本実施形態において、コンデンサレンズ４、対物レンズ３および偏向器５は、例えばレンズに対応する。
【００２３】
シャッタ制御ユニット２８は、制御コンピュータ２１の指示に従って制御信号を生成し、この制御信号を受けてシャッタ装置５１を駆動し、後述するようにシャッタを開閉させる。
【００２４】
記憶装置ＭＲ１は、検査領域中のパターンに関する設計データベースを格納する。記憶装置ＭＲ２は、材料組成分析の手順が記述されたレシピファイルを格納し、このレシピファイルを制御コンピュータ２１が読み取って基板１１を構成する材料の組成分析を実行する。
【００２５】
入力装置２０は、検査領域の座標位置、検査条件、組成分析のための各種閾値等の情報を制御コンピュータ２１へ入力するためのインタフェイスである。
【００２６】
制御コンピュータ２１は、偏向器制御ユニット２４への制御信号以外にも各種の制御信号を生成して電子銃制御ユニット２２、レンズ制御ユニット２３，７３およびステージ制御ユニット２６へ送る。これにより、上記所望の走査手順に従って基板１１上の所望の検査領域へビーム走査が行われる。
【００２７】
電子ビームＥＢの検査領域への走査により基板１１から二次電子、反射電子および後方散乱電子（以下、「二次電子等」という）ＳＥが発生し、二次電子検出器７により検出されて検出信号が画像生成ユニット２７に送られる。画像生成ユニット２７は、二次電子検出器７からの検出信号を処理して検査領域のＳＥＭ画像を生成する。生成されたＳＥＭ画像は、制御コンピュータ２１を介して表示装置２９により表示されると共に、記憶装置ＭＲに格納される。
【００２８】
検査ユニット６３は、制御コンピュータ２１を介して記憶装置ＭＲ２から検査領域のＳＥＭ画像を引き出すとともに、記憶装置ＭＲ１から設計データを引き出し、ダイ・ツー・ダイ検査またはダイ・ツー・データベース検査により検査領域中のパターンの形状計測、欠陥検査等を行う。
【００２９】
アクチュエータ１２は、制御コンピュータ２１からの指示によりステージ制御ユニット２６が生成した制御信号に従ってステージ１０を移動させる。
【００３０】
ＥＤＸ検出器４１は、本実施形態において鏡筒９と一体になるように配設される。ＥＤＸ検出器４１はまた、その検出面ＤＬが鏡筒９の底面ＢＰＬよりも電子銃６側に位置するように配設される。このような配置により、本実施形態では検査分析中に鏡筒９と基板１１との間に介在する構成要素が無い。その結果、鏡筒９を基板１１に近接させることが可能になり、鏡筒９の底面ＢＰＬと基板１１との距離ＷＤ（Ｗｏｒｋｉｎｇ  Ｄｉｓｔａｎｃｅ）を短縮することが可能になる。
【００３１】
例えば、ＥＤＸ検出器４１を鏡筒９と基板１１との間に配設すると、ＥＤＸ検出器４１のＺ方向サイズと設計マージン分のスペースとが必要になるので、その分だけ底面ＢＰＬと基板１１との距離ＷＤが長くなってしまう。
【００３２】
これに対して、本実施形態の分析装置によれば、ＥＤＸ検出器４１の検出面ＤＬが鏡筒９の底面ＢＰＬよりも電子銃６側に位置するようにＥＤＸ検出器４１が配設されるので、鏡筒９の底面ＢＰＬと基板１１との距離ＷＤが、例えば１０mm以下に短縮される。これにより、より多くの特性Ｘ線ＣＸを検出することが可能になり、材料組成分析の分解能を向上させることが可能になる。
【００３３】
シャッタ装置５１は、ＥＤＸ検出器４１の検出面ＤＬの直下に設けられ、シャッタ制御ユニット２８から送られる制御信号に従い、シャッタの開閉を行う。これにより、特性Ｘ線ＣＸの検出時にのみシャッタを開放することにより特性Ｘ線ＣＸの検出を可能にし、この一方、特性Ｘ線ＣＸの検出時以外にはシャッタを閉鎖することにより、ＥＤＸ検出器４１の検出感度劣化を防止する。
【００３４】
シャッタは特性Ｘ線ＣＸを遮断可能な材質の金属、例えば鉛板やタングステン板などで形成可能であり、開閉機能としては、例えばアクチュエータや圧電素子などを含むＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）を用いて構成することができる。
【００３５】
図１に示す分析装置の動作は以下の通りである。
【００３６】
まず、図示しない真空ポンプにより鏡筒９および試料室８を真空引きした後、制御コンピュータ２１が記憶装置ＭＲ２からレシピファイルを読み出し、記憶装置ＭＲ１から検査領域のレイアウトを参照しながら検査領域その他の各種の検査パラメータを設定する。
【００３７】
次いで、シャッタ制御ユニット２８を介して制御コンピュータ２１がシャッタ装置５１を駆動し、これによりシャッタを開放させる。
【００３８】
続いて、電子銃制御ユニット２２を介して制御コンピュータ２１が電子銃６を制御して電子ビームＥＢを基板１１に向けて照射させる。電子ビームＥＢは、レンズ制御ユニット２３からの制御信号を受けるコンデンサレンズ４によりビーム束が調整され、また、レンズ制御ユニット７３からの制御信号を受ける対物レンズ３により焦点位置の調整が行われ、ジャストフォーカスで基板１１の表面に入射する。
【００３９】
偏向器制御ユニット２４からの制御信号により偏向器５が所望の検査領域を電子ビームＥＢで走査する。これにより、基板１１の表面から二次電子等ＳＥが放出され、二次電子検出器７により検出されて検出信号が画像生成ユニット２７に送られ、画像生成ユニット２７により検査領域のＳＥＭ画像が生成される。生成されたＳＥＭ画像は、画像生成ユニット２７から制御コンピュータ２１へ送られ、検査ユニット６３により検査される。
【００４０】
基板１１からは二次電子等ＳＥ以外に特性Ｘ線ＣＸが放出され、ＥＤＸ検出器４１により検出される。ＥＤＸ検出器４１による検出信号は、制御コンピュータ２１内の材料組成分析ユニット６１に送られて分析され、これにより、基板１１の検査領域における材料組成が特定される。本実施形態において、材料組成分析ユニット６１は例えば組成分析ユニットに対応する。
【００４１】
全ての検査領域についての形状・欠陥検査および組成分析が終了すると、シャッタ制御ユニット２８を介した制御コンピュータ２１からの制御により、シャッタ装置５１が駆動してシャッタを閉鎖する。これによりＥＤＸ検出器４１が保護される。
【００４２】
図１に示す実施形態では、鏡筒９と一体となるよう配置されたＥＤＸ検出器４１を取り挙げて説明したが、これに限ることなく、鏡筒９と離隔して配置してもよい。この点は次記する実施形態２においても同様である。
【００４３】
また、本実施形態では、ＥＤＸ検出器４１の検出面ＤＬが鏡筒９の底面ＢＰＬよりも電子銃６側に位置するようにＥＤＸ検出器４１が配設される場合を取り挙げて説明したが、ＥＤＸ検出器４１の配置態様は上記態様に限るものではない。例えば、図２の一変形例に示すように、ＥＤＸ検出器４１の検出面ＤＬの一部が鏡筒９の底面ＢＰＬよりも試料側に位置するようにＥＤＸ検出器４１を配設してもよい。すなわち、ＥＤＸ検出器の検出面ＤＬ全てが鏡筒９の底面ＢＰＬよりも試料側に位置する態様を除けば、鏡筒９の底面ＢＰＬと基板１１との距離ＷＤを短縮する効果が得られる。この点も、次記する実施形態２において同様である。
【００４４】
（２）実施形態２
図３は、実施形態２による分析装置の概略構成を示すブロック図である。図１との対比により明らかなように、本実施形態の分析装置は、鏡筒９と一体に形成された、またはこれに近接して配置された複数のＥＤＸ検出器を含む。図３に示す例では、ＥＤＸ検出器４１〜４３の３つの検出器が設けられている。
【００４５】
同様に、各ＥＤＸ検出器４１〜４３にそれぞれ対応してシャッタ装置５１〜５３がＥＤＸ検出器４１〜４３の直下に配設されている。
【００４６】
このような構成により、本実施形態の分析装置によれば、電子ビームＥＢの照射回数を増やすことなく多量の特性Ｘ線ＣＸを検出することができるので、さらに高精度の組成分析が可能になる。
【００４７】
電子ビームＥＢの長時間照射による基板１１のチャージを防止するために電子ビームＥＢの加速電圧を例えば２ｋＶ以下に下げる場合がある。このような低加速電圧の電子ビーム装置では、特性Ｘ線ＣＸの検出量が不足する場合がある。本実施形態の分析装置によれば、このような低加速電圧での電子ビームＥＢ照射の際でも、Ｓ／Ｎを劣化させることなく高い分解能を維持することができる。
【００４８】
本実施形態の分析装置のＥＤＸ検出器４２，４３およびシャッタ装置５２，５３以外の構成は、図1に示す分析装置と実質的に同一であるので、詳細な説明は省略する。
【００４９】
上述の実施形態１および２では、電子ビームを照射して試料から発生する二次電子等を検出するＳＥＭにＥＤＸ検出器を設置した態様を取り挙げて説明したが、これに限ることなく透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）にも全く同様に適用することが可能である。  
また、上記実施形態では、鏡筒９と試料室８とが分離した装置を取り挙げて説明したが、これに限ることなく、鏡筒内に試料室が設けられている場合は、二次電子光学系の電子ビームＥＢが出射する出射面と同一の面または該同一面よりも電子銃６側に位置するようにＥＤＸ検出器を配置すればよい。上記出射面は、基板１１に最も近い磁界レンズまたは電子レンズの底面となり、多くの場合は、対物レンズの底面となる。
【００５０】
さらに、上記実施形態では、シャッタ装置５１（〜５３）を含む分析装置を取り挙げたが、これは特に必須の要件ではなく、電子ビームの加速電圧やＥＤＸ分析の頻度などの使用条件によっては設ける必要はない。
【００５１】
例えば、低加速電圧の電子ビームを用いると、シャッタ装置を特に設ける必要が無い場合もある。その場合は、ＥＤＸ検出器４１の検出面ＤＬと基板１１との間に介在する構成要素が無いので、鏡筒９の底面ＢＰＬと基板１１との距離ＷＤを例えば２mm以下にまで短縮することもできる。
【００５２】
以上述べた少なくとも一つの実施形態による分析装置によれば、ＥＤＸ検出器４１の検出面ＤＬの少なくとも一部が鏡筒９の底面ＢＰＬと同一面に位置するように、または底面ＢＰＬよりも電子銃６側に位置するように配設された少なくとも一つのＥＤＸ検出器を含むので、例えば数十ｎｍオーダーの微少な検査領域において試料の微量な材料組成（例えば１×１０１９ａｔｏｍ／ｃｃ以上）を高い分解能でかつ高い精度で分析することが可能になる。
【００５３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５４】
３…対物レンズ、４…コンデンサレンズ、５…偏向器、６…電子銃、７…二次電子検出器、９…鏡筒、４１〜４３…ＥＤＸ検出器、５１〜５３…シャッタ装置、６１…材料組成分析ユニット、ＣＸ…特性Ｘ線。
【図１】
2015170593.tif 000003
【図２】
2015170593.tif 000004
【図３】
2015170593.tif 000005