(57)【要約】【課題】試料の表面電荷の影響を軽減された像の取得が可能な電子線装置を提供すること。【解決手段】対物レンズで収束された１次電子Ｙによって試料５を走査することにより発生した２次電子Ｚに基づいて試料５の像観察を行なう電子線装置２０において、２次電子Ｚを電気的信号に変換するための２次電子検出器２の前方に２次電子Ｚのエネルギーに基づいて２次電子Ｚを選択的に２次電子検出器２に送るための選択装置２１を設けた。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズで収束された１次電子線によって試料を走査し、これにより前記試料から発生した２次電子等に基づいて前記試料の像観察を行なう電子線装置において、前記２次電子を電気的信号に変換するための２次電子検出器と、該２次電子検出器の前方に配設され前記２次電子のエネルギーに基づいて前記２次電子を選択的に前記２次電子検出器に送るための選択手段とを備えたことを特徴とする電子線装置。
【請求項２】
前記対物レンズが、前記電子線源と前記試料との間に位置する単極頂面を有する単極磁界型レンズと静電界浸レンズとからなる電磁界複合レンズである請求項１記載の電子線装置。
【請求項３】
前記静電界浸レンズが、前記単極頂面に接続していて前記単極磁界型レンズを構成するヨーク内部に接続されており、上部電極の一部が前記単極頂面と前記試料との間に位置し、下部電極が前記上部電極と前記試料との間に位置するように構成されている請求項２記載の電子線装置。
【請求項４】
前記選択手段が、前記下部電極に前記試料の電位より低い電圧を印加することで、前記２次電子のエネルギーを選択する機能を実現するように構成されている請求項３記載の電子線装置。
【請求項５】
対物レンズで収束された１次電子線によって試料を走査し、これにより前記試料から発生した２次電子等に基づいて前記試料の像観察を行なう電子線装置において、前記２次電子を電気的信号に変換するための２次電子検出器と、該２次電子検出器の前方に配設された複数のグリッド部材とを備え、該グリッド部材のうちの少なくとも１つのグリッド部材に負電圧を印加することにより前記２次電子のエネルギーに基づいて前記２次電子を選択的に前記２次電子検出器に送るようにしたことを特徴とする電子線装置。
【請求項６】
対物レンズで収束された１次電子線によって試料を走査し、これにより前記試料から発生した２次電子等に基づいて前記試料の像観察を行なう電子線装置において、前記２次電子を電気的信号に変換するための２次電子検出器と、該２次電子検出器の前方に配設された外側円筒電極と、該外側円筒電極内に同軸に配置された内側円筒電極とを備え、前記外側円筒型電極に前記内側円筒型電極に対して負の電圧を加えることで、前記２次電子のエネルギーに基づいて前記２次電子を選択的に前記２次電子検出器に送るようにしたことを特徴とする電子線装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【特許文献１】
特開平３−１４３２号公報（第６項  第図１）
【特許文献２】
特開平１０−１９９４５９号公報（第４項  第図１）
【非特許文献１】
日本学術振興会第１３２委員会編  編集委員  裏  克己
「電子イオンビームハンドブック第３版」日刊工業新聞社（Ｐ８０６〜８１０）
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面電荷の影響が軽減された像の取得が可能な電子線装置に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
半導体の製造分野において自動もしくは半自動でウエハのパターン等の微細な観察を行うために走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が広く使用されている。半導体の製造分野で使用されるＳＥＭの観察対象となる表面構造は絶縁体が多く、ＳＥＭの低加速、低入射エネルギー化が進められてきた。しかし、一般的に低入射エネルギー化により分解能の低下、Ｓ／Ｎ比の低下などの問題が生じている（非特許文献１参照）。
【０００４】
この問題を解決するため、レンズ磁界を試料に浸す単極磁界型レンズを使用して強レンズ化を図るようにした構成が公知である（特許文献１）。また、対物レンズとして、電子線源と試料との間に位置する単極頂面を有する単極磁界型レンズと静電界浸レンズとからなる電磁界複合レンズを使用し、これにより収差の低減を図るようにした構成の電磁界複合レンズも提案されている（特許文献２）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年の半導体製造においては銅配線やｌｏｗ−Ｋなどのプロセスが導入されているので、観察試料の表面の帯電がより著しくなる場合が増えている。このような帯電が生じると、ＳＥＭ像にはそのために試料に付着したパーティクル（ゴミ）が白く現れると共に、その付近に黒い影が現れるという現象が生じるほか、観察面全体にスキャン方向に依存したグラデーションが現れるなど、試料表面の観察を阻害することになる。すなわち、帯電により生じる上述の如きＳＥＭ像のコントラストは、得られたＳＥＭ像に基づく画像処理の障害となって、画像認識を行うことを困難にし、または誤認識の原因となる。例えば上述したパーティクルについて言えば、帯電コントラストによりパーティクル本来の大きさ、形状を正確に認識できないという問題が生じる。
【０００６】
一方、帯電と類似の現象として電位コントラストの問題がある。これはウエハ上の配線を観察した際に、配線に電位を与えることで、発生した２次電子のうち速度の低いものが配線に与えられる電位の影響を受けて、検出器に到達するものの割合が変調されることにより生じる現象である。
【０００７】
しかし、配線に電位を加えない状態においても電子線を照射した際に入射する電子と出射する電子の量が等しくない場合には、配線とグランドとの間に電流が流れ、配線とグランド間にキャパシターや抵抗が存在する場合には配線に電位が生じる。そのため同じ配線であっても内部での回路が異なっている場合には異なるコントラストを生じることになる。その結果、画像認識を行う際に、本来なら同じ配線と認識すべきところを異なる配線として誤認識してしまうなどの問題が生じている。
【０００８】
このような表面の電荷に付随する問題は特許文献１及び特許文献２に開示されている構成によっては解決できない。例えば、特許文献２で示されている、試料が傾斜していない場合は静電界浸レンズの下部電極と試料に異なる電位を加え、試料が傾斜する場合は下部電極と試料の電位差を小さくするまたは同電位とするという従来の条件では、電荷の影響を軽減することはできず、また下部電極と試料との間の電位差が大きくなると帯電によるコントラストは増加してしまうという問題が生じる。
【０００９】
本発明の目的は、従来技術における上述の問題を解決することができる改善された電子線装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は試料から出た２次電子を検出するための２次検出器と試料との間に、検出すべき２次電子のエネルギーを選択する機能を設置し、これにより２次検出器に到達させる２次電子を選択し、電荷蓄積の影響が軽減された像の取得を可能にするようにしたものである。
【００１１】
本発明によれば、対物レンズで収束された１次電子線によって試料を走査し、これにより前記試料から発生した２次電子等に基づいて前記試料の像観察を行なう電子線装置において、前記２次電子を電気的信号に変換するための２次電子検出器と、該２次電子検出器の前方に配設され前記２次電子のエネルギーに基づいて前記２次電子を選択的に前記２次電子検出器に送るための選択手段とを備えたことを特徴とする電子線装置が提案される。
【００１２】
前記対物レンズは、前記電子線源と前記試料との間に位置する単極頂面を有する単極磁界型レンズと静電界浸レンズとからなる電磁界複合レンズとすることもできる。
【００１３】
さらに、前記静電界浸レンズが、前記単極頂面に接続していて前記単極磁界型レンズを構成するヨーク内部に接続されており、上部電極の一部が前記単極頂面と前記試料との間に位置し、下部電極が前記上部電極と前記試料との間に位置するように構成されていてもよい。
【００１４】
また、前記選択手段は、前記下部電極に前記試料の電位より低い電圧を印加することで、前記２次電子のエネルギーを選択する機能を実現するように構成されていてもよい。
【００１５】
本発明によれば、さらに、対物レンズで収束された１次電子線によって試料を走査し、これにより前記試料から発生した２次電子等に基づいて前記試料の像観察を行なう電子線装置において、前記２次電子を電気的信号に変換するための２次電子検出器と、該２次電子検出器の前方に配設された複数のグリッド部材とを備え、該グリッド部材のうちの少なくとも１つのグリッド部材に負電圧を印加することにより前記２次電子のエネルギーに基づいて前記２次電子を選択的に前記２次電子検出器に送るようにしたことを特徴とする電子線装置が提案される。
【００１６】
本発明によれば、また、対物レンズで収束された１次電子線によって試料を走査し、これにより前記試料から発生した２次電子等に基づいて前記試料の像観察を行なう電子線装置において、前記２次電子を電気的信号に変換するための２次電子検出器と、該２次電子検出器の前方に配設された外側円筒電極と、該外側円筒電極内に同軸に配置された内側円筒電極とを備え、前記外側円筒型電極に前記内側円筒型電極に対して負の電圧を加えることで、前記２次電子のエネルギーに基づいて前記２次電子を選択的に前記２次電子検出器に送るようにしたことを特徴とする電子線装置が提案される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明による走査型電子線装置の実施の形態の一例を一部断面して示す構成図である。走査型電子線装置１０は、微細化電子デバイスの形状検査や観察のために用いられる装置であり、電子源１からの電子ビームは加速されて光軸Ｘに沿って１次電子線Ｙとして試料５に向けて照射されており、偏向装置１Ａによって１次電子線Ｙを試料５上で観察のために走査させる構成となっている。ここでは、試料５が半導体ウエハである場合を例にとっている。
【００１９】
偏向装置１Ａと試料５との間には、対物レンズとして、静電界浸レンズ３と単極磁界型レンズ４とによる電磁界複合レンズが設けられており、これにより電子源１からの電子ビームが細く集束された１次電子線Ｙとなり、試料５上において集束せしめられている。
【００２０】
単極磁界型レンズ４は、磁極４１の上方に励磁コイル４２を備えて成り、磁極４１は、下端に電子ビームを通過させるための磁極孔４１Ａが設けられている先端がややすぼまった円筒状の形態を有し、その上端縁には断面Ｌ字状の張出部４１Ｂが径方向外側に向かって一体に延設されて成っている。そして、張出部４１Ｂによって囲まれる環状空間内に励磁コイル４２が収容されている。
【００２１】
この結果、単極磁界型レンズ４の試料５と対向する先端部の単磁極４ａと張出部４１Ｂの張出端部４ｂとの間に磁界が形成され、試料５は単磁極４ａから試料５方向に生じる強いレンズ磁界内に設置されている。
【００２２】
以上のように構成されている単極磁界型レンズ４のレンズ磁界の先端部分、すなわち、単磁極４ａの近傍には、上下一対の電極が組み込まれている。１つは試料５と単磁極４ａとの間に配設された下電極３ｂであり、下電極３ｂの中央部には電子ビームを通過させるための電極孔３ｃが形成されている。もう１つは下電極３ｂよりも電子線源１側に配設された上電極３ａであり、上電極３ａはほぼ磁極４１内に収容されるようにして配設されているが、上電極３ａの下端３ａａは磁極孔４１Ａから試料５側に突出しており、単磁極４ａと下電極３ｂとの間に位置している。磁極４１内には、２次電子検出器２が図示の如く配設されている。
【００２３】
以上のように設けられた上電極３ａには正の電圧である電位ＶＵが印加され、下電極３ｂには負の電圧である電位ＶＬが印加されており、これにより静電界浸レンズ３が構成されている。そして、試料５には負の電圧である電位ＶＳが印加されている。
【００２４】
走査型電子線装置１０は以上のように構成されているので、１次電子線１から放出された１次電子線Ｙは加速され、２次電子検出器２を通過し、静電界浸レンズ３の上部電極３ａに加えられた電位ＶＵより再び加速される。そして、単極磁界型レンズ４の先端付近の磁界により１次電子線Ｙは収束される。静電界浸レンズ３の下部電極３ｂに加えられた電位ＶＬで１次電子線Ｙは減速された後、電位ＶＳが印加された試料５に入射する。
【００２５】
ここで、下部電極３ｂに加えられた電位ＶＬは電位ＶＳよりも低い関係に保たれている。しかし、電位ＶＬがある値より低くなると１次電子線Ｙが試料５にあたって生じた２次電子Ｚは全て試料５に向けて折り返され、２次電子検出器２で検出できないため、電位ＶＬは２次電子が検出可能な範囲でＶＳより小さくなっている。具体的には、例えば、電位ＶＬは−１１００Ｖ、電位ＶＳは−１０００Ｖ程度の値となっている。
【００２６】
２次電子Ｚは磁極４により生じた試料５上の磁界により巻き上げられ、磁極４１内に入り、その内側に設けられた２次電子検出器２により検出される。ここで、下部電極３ｂには試料５の電位ＶＳより低い電位ＶＬが与えられていることにより、２次電子Ｚはこの電位差による電界により試料５の方向に戻される力を受ける。そのため、あるエネルギーより小さなエネルギーを持つ２次電子Ｚは２次電子検出器２に到達できない。すなわち、下部電極３ｂに試料５の電位ＶＳより小さい電位ＶＬを与えることは２次電子検出器２のエネルギーを選択する機能を果たすことになる。このように、２次電子検出器２の前方（試料５側）には、２次電子Ｚのエネルギーに基づいて２次電子Ｚを選択的に２次電子検出器２に送るための選択手段が構成されている。
【００２７】
このように、２次電子Ｚのエネルギーを選択する機能を設け、エネルギーの低い２次電子Ｚを取り除き、エネルギーの大きな２次電子Ｚだけを選択するようにすることで電荷蓄積の影響が軽減された像の取得を可能にする。
【００２８】
すなわち、試料５の表面が正に帯電している場合、２次電子Ｚはその表面電位により試料５の方向に引き戻される力を受ける。エネルギーの比較的大きな２次電子Ｚは２次電子検出器２で検出されるが、エネルギーの小さい２次電子Ｚはこの力により試料５に引き戻され検出されないという現象が生じる。試料５の表面の帯電は試料５の材質、構造、照射履歴により異なるので、帯電による表面電位は構造だけでは決まらない。そのため２次電子検出器２によって検出される２次電子Ｚの量は表面構造だけで決まらずに、帯電による表面電位によって変調される。これが帯電による異常なコントラストの原因となる。また上述したようにボルテージコントラストにおいても内部構造の違い等や試料５の配線により電位が異なり、帯電の場合と同様に、検出される２次電子Ｚの量は表面電位によって変調される。そのため試料５の表面構造が同じ配線であっても内部構造の違いによりコントラストが生じることになる。
【００２９】
なお、電位ＶＬを２次電子Ｚが完全に折り返され２次電子検出器２によって検出できない値に設定し、試料５の走査を行い、その後、電位ＶＬを電位ＶＳと等しいかまたは２次電子Ｚの検出が可能である大きな条件に設定し直し試料５を走査することで電荷蓄積の影響が軽減された像を取得することも可能である。
【００３０】
図２は、本発明の他の実施の形態を示す断面図である。図２に示した電子線装置２０は、２次電子Ｚをエネルギー選択するための手段が、グリッド部材を用いた選択装置２１として磁極４１内に設けられており、下電極３ｂの電位ＶＬが、試料５の電位ＶＳと等しいか又は電位ＶＳよりも大きいという条件に設定されている点で、図１に示した走査型電子線装置１０と異なっている。
【００３１】
選択装置２１は、図３に詳細に示されている。選択装置２１は２次電子検出器２の前方（試料５側）に配設されており、電圧印加可能な４枚の円板状のグリッド板２２Ａ〜２２Ｄと接地された円筒２３とで構成されている。ここで、円筒２３は接地されており、上下のグリッド板２２Ａ、２２Ｄも接地されている。そして、上下のグリッド板２２Ａ、２２Ｄにはさまれている中間のグリッド板２２Ｂ、２２Ｃには負の電位ＶＧが与えられている。
【００３２】
電子線装置２０は以上のように構成されているので、次のように動作する。電子線源１から放出された１次電子線Ｙは接地された円筒２３内部を通過し、４枚のグリッド板２２Ａ〜２２Ｄに印加された電圧に影響されることなく、試料５に達する。
【００３３】
これにより生じた２次電子Ｚは磁極４１により生じた試料５上の磁界により巻き上げられ磁極４１内に入る。４枚のグリッド板２２Ａ〜２２Ｄのうちのグリッド板２２Ｂ、２２Ｃには上述の如く負の電圧ＶＧが印加されているので、２次電子Ｚはこの負の電圧により減速され、グリッド板２２Ｂ、２２Ｃを通過した後、再び元の速度まで加速される。この過程で、あるエネルギーより小さいエネルギーを持つ２次電子Ｚは折り返されるため、２次電子Ｚのエネルギーを選択する機能を実現することができる。ここで中央の２枚のグリッド板２２Ｂ、２２Ｃを１枚で代用すること、及び４枚目のグリッド板２２Ｄを省略することも可能である。
【００３４】
図２に示した実施の形態にあっては、以上のように２次電子Ｚのエネルギーを選択する機能をグリッド板を用いた選択装置２１によって実現する構成としたので、図１に示した走査型電子線装置１０と同様にして、エネルギーの低い２次電子Ｚを取り除き、エネルギーの大きな２次電子Ｚだけを選択して２次電子Ｚに入力させるようにすることで電荷蓄積の影響が軽減された像の取得を可能にするという、図１の走査型電子線装置１０と同様の効果を得ることができる。
【００３５】
図４は、本発明の別の実施の形態を示す断面図である。図４に示した電子線装置３０は、２次電子Ｚをエネルギー選択するための手段が、円筒電極を用いた選択装置３１として磁極４１内に設けられており、下電極３ｂの電位ＶＬが、試料５の電位ＶＳと等しいか、又は電位ＶＳよりも大きいという条件に設定されている点で図１に示した走査型電子線装置１０と異なっている。
【００３６】
選択装置３１は、図５に詳細に示されている。選択装置３１は２次電子検出器２の前方（試料５側）に配設されており、２次電子検出器２の前方に配設された外側円筒電極３１Ａと、外側円筒電極３１Ａ内に同軸に配置された内側円筒電極３１Ｂとを備え、外側円筒型電極３１Ａに内側円筒型電極３１Ｂに対して負の電圧ＶＣを加えることで、２次電子Ｚのエネルギーに基づいて２次電子Ｚを選択的に２次電子検出器２に送ることができるように構成されている。
【００３７】
電子線装置３０は以上のように構成されているので、次のように動作する。電子線源１から放出された１次電子線Ｙは接地されたまたはＶＵが印加された内側円筒型電極３１Ｂを通過し、試料５に達する。
【００３８】
これにより生じた２次電子Ｚは磁極４１により生じた試料５上の磁界により巻き上げられ磁極４１内に入る。外側円筒型電極３１Ａに内側円筒型電極３１Ｂに対して負の電圧ＶＣを加えることで、２次電子Ｚは外側円筒型電極３１Ａから内側円筒型電極３１Ｂに引き戻される方向に力を受ける。エネルギーの異なる電子は異なる軌道をとるので、適切な電圧ＶＣを印加することで特定のエネルギーを持つ２次電子Ｚを選択することができる。このため、内側円筒型電極３１Ｂには２次電子Ｚを通過させるための透孔３１Ｂａが複数設けられている。内側円筒型電極３１Ｂを接地しておく場合には１次電子線Ｙの軌道が印加された電圧に影響されないという効果がある。
【００３９】
図４に示した実施の形態にあっては、以上のように２次電子Ｚのエネルギーを選択する機能を円筒電極を用いた選択装置３１によって実現する構成としたので、図１に示した走査型電子線装置１０と同様にして、エネルギーの低い２次電子Ｚを取り除き、エネルギーの大きな２次電子Ｚだけを選択するようにすることで電荷蓄積の影響が軽減された像の取得を可能にするという、図１の走査型電子線装置１０と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、上述の如く、試料から出た２次電子を検出するための２次検出器と試料との間に、検出すべき２次電子のエネルギーを選択する手段を設置し、これにより２次検出器に到達させる２次電子を選択するので、電荷蓄積の影響が軽減された像の取得を可能にする。
【００４１】
また異なる材料の試料に対しても同一の動作条件において、電荷蓄積の影響が軽減された像の取得を可能にするという効果がある。
【００４２】
このように、電荷蓄積の影響が軽減された像を取得できるので、像の画像処理、画像認識が容易になるという効果がある。特に半導体の欠陥観察に使用し、自動もしくは半自動で観察を、取得した画像に自動欠陥分類（ＡｕｔｏＤｅｆｅｃｔＣｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を行う電子線装置において効果が顕著である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す断面図。
【図２】本発明の他の実施の形態を示す断面図。
【図３】図２に示した電子線装置の選択装置の構成を説明するための拡大断面図。
【図４】本発明の別の実施の形態を示す断面図。
【図５】図３に示した電子線装置の選択装置の構成を説明するための拡大断面図。
【符号の説明】
１  電子源
２  ２次電子検出器
３  静電界浸レンズ
４  単極磁界型レンズ
４１  磁極
１０、２０、３０  電子線装置
２１、３１  選択装置
Ｘ  光軸
Ｙ  １次電子線
Ｚ  ２次電子
【図１】
2004185823.tif 000003
【図２】
2004185823.tif 000004
【図３】
2004185823.tif 000005
【図４】
2004185823.tif 000006
【図５】
2004185823.tif 000007