(57)【要約】【課題】走査型電子線装置において、電気的絶縁性の高い試料でも明るい観察像が得られるようにすること。【解決手段】対物レンズで収束された１次電子Ｙによって、電気的絶縁性が高い試料５から発生した２次電子Ｚに基づいて試料５の像観察を行なう走査型電子線装置１０において、試料５に隣り合うバイポテンシャルレンズ３の下電極３ｂへの印加電位ＶＬ又は試料５への印加電位ＶＳを調節してＶＬ＞ＶＳとし、これにより試料５の表面が正方向に帯電した場合の実際の電位が周囲電位とほぼ同じとなるようにし、２次電子Ｚを２次電子検出器２によって効率よく検出できるようにした。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線で試料を走査して得られた２次電子に基づいて該試料の観察像を得るようにした走査型電子線装置において、
前記試料に対向する対物レンズの電極又は磁極及び前記試料に所要の電位を印加できるように構成し、
導電性試料観察時には、前記試料と前記電極又は磁極にほぼ同一の電位を印加するようにし、
絶縁性試料観察時には、前記電極又は磁極の印加電位が前記試料の印加電位よりも高くなるようにした
ことを特徴とする走査型電子線装置
【請求項２】
電子線で試料を走査して得られた２次電子に基づいて該試料の観察像を得るようにした走査型電子線装置において、
前記試料に対向する対物レンズの電極又は磁極に所要の電位を印加できるように構成し、
導電性試料観察時には、前記電極又は磁極に電位を印加せず、
絶縁性試料観察時には、前記電極又は磁極の印加電位が前記試料のアース電位よりも高くなるように前記電極又は磁極に正電位を印加するようにした
ことを特徴とする走査型電子線装置
【請求項３】
電子線で試料を走査して得られた２次電子に基づいて該試料の観察像を得るようにした走査型電子線装置において、
前記試料に所要の電位を印加できるように構成し、
導電性試料観察時には、前記試料に電位を印加せず、
絶縁性試料観察時には、前記試料の印加電位が前記電極又は磁極のアース電位よりも低くなるように前記試料に負電位を印加するようにした
ことを特徴とする走査型電子線装置
【請求項４】
試料印加電位と、電極または磁極印加電位との差の大きさが５００Ｖ以下であることを特徴とする１、２、３項記載の電子線装置
【請求項５】
電子線で試料を走査して得られた２次電子に基づいて該試料の観察像を得るようにした走査型電子線装置において、
電子線の電流レベルを調節可能とし、絶縁性試料観察時、第１の電流レベルで前記試料を一定時間照射した後、前記第１の電流レベルより小さい第２の電流レベルの電子線で試料を走査して像観察のための２次電子を得るようにしたことを特徴とする走査型電子装置
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気的絶縁性の高い試料を観察するのに好適な走査型電子線装置に関するものである。
【０００２】
【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が、半導体の表面の微細構造をより良く観察するために、ＳＥＭの低加速、低入射エネルギー化が進められてきている。
【０００３】
従来のこの種の走査型電子線装置は、例えば特許文献１の図１に示されるように、電子線源より出た１次電子線が試料面を走査することによって生じた２次電子線を、単極レンズ磁界により集束して、巻き上げ、バイポテンシャルレンズの電界により加速して、２次電子検出器に送る構成となっている。
【０００４】
ここで、バイポテンシャルレンズは、上側電極と下側電極とを備えて成っており、上側電極に正の高電圧を印加して下側電極と試料とをアース電位とするか、又は、上側電極をアース電位として下側電極と試料とに負の高電圧を印加するようにして使用される構成となっている。このように、いずれにしても、試料は、該試料に対向することになる下側電極と等しい電位となっているため、試料を傾斜させた場合でもレンズ電界が非対称になることがないので、２次電子検出効率が低下せず、大きな非点収差も生じないという利点を有している。さらに、上下電極間に減速電界が生じるためＳＥＭ像分解能も向上するという利点を有している。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３２８８２３９号公報（図１）
【０００６】
【特許文献２】
特許第２７７２８２１号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、観察試料がシリコンウエハのように電気的絶縁性が低い材料ではなく、石英ガラスウエハのように電気的絶縁性の高い材料から成る試料の場合には、ＳＥＭ像の観察において、得られた像が極端に暗くなるという不具合がしばしば生じている。
【０００８】
この原因は、電気的絶縁性の高い試料の場合その表面が帯電しやすく、表面微細形状の観察に好適な低加速電圧において試料からの２次電子発生効率が１より大きくなる加速電圧範囲では試料表面が正に帯電するため、試料はその周囲の電極の電位に対し数１０〜数１００Ｖ前後高くなり、試料表面から数ｅＶのエネルギーで放出される負の２次電子は、この電位のため試料方向へ引き戻され、２次電子検出器に到達できないこととなり、像が極端に暗くなるものと考えられる。
【０００９】
なお、特許文献２の図１に示される構成の場合、試料であるウエハとこれに対向する磁極頂面が同じアース電位となるので、このような構成の場合にも上記したのと同様の不具合を生じることになる。また、試料をレンズ磁極の外に設定する形式の通常のＳＥＭにおいても同様の不具合が生じる。
【００１０】
本発明の目的は、試料が電気的絶縁性の高い材料から成る場合であっても明るい観察像を得ることが出来る走査型電子線装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明では、試料表面が正に帯電されるような場合には、試料に隣り合う対物レンズの電極又は磁極に印加される電位、あるいは試料に印加される電位を調整し、該試料表面の観察点の実際の電位が周囲電位とほぼ同じとなるようなレベルとすることにより、試料からの２次電子が効率よく２次電子検出器へ到達できるようにしたものである。
【００１２】
また電気的絶縁性の高い試料を観察する場合において、本願発明は、１次電子線の電流レベルを通常観察する場合に使用するレベルよりも大きくして１次電子線を一定時間試料に照射し、これにより試料からの２次電子発生効率を１以下として、試料表面の正の帯電を低減するようにしたものである。いずれの場合にも、試料表面の実際の電位を周囲電極とほぼ同じ電位とすることができ、２次電子検出効率を上げて、明るい像を得ることができる。
【００１３】
【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。
【００１４】
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、電子線源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。
【００１５】
偏向装置１Ａと試料５との間には、対物レンズとして、バイポテンシャルレンズ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、これにより電子線源１からの電子ビームが細く集束され、このようにして集束された１次電子線Ｙが、試料５の表面５ａ上を走査する構成となっている。
【００１６】
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。
【００１７】
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との間に磁界が生じ、これにより光軸上にレンズ磁界が形成される。試料５は単磁極４ａから試料５方向に生じるこの強いレンズ磁界内に設置されている。
【００１８】
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は磁極４１内にほぼ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。
【００１９】
このように構成された走査型電子線装置１０の各部の標準的な電位の印加例は、以下のように、バイポテンシャルレンズ３の上電極３ａの印加電位ＶＵは０Ｖ、下電極３ｂの印加電位ＶＬは−１ｋＶ、試料５の印加電位ＶＳは−１ｋＶであり、ＶＬ＝ＶＳとなっている。
【００２０】
各部への印加電位ＶＵ、ＶＬ、ＶＳは出力電圧が調節可能となるように構成されている電圧供給装置から供給される電圧によって与えられており、走査型電子線装置１０はＶＬとＶＳとが異なった値となることができる構成となっている。
【００２１】
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、電子線源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、バイポテンシャルレンズ３の上部電極３ａに加えられた電位ＶＵに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。バイポテンシャルレンズ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に集束される。
【００２２】
１次電子線Ｙが試料５にあたって生じた２次電子Ｚは単極磁界型レンズ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。金属やＳｉ等のように、電気的絶縁性が高くない試料（導電性試料と称する）の場合、ＶＬ＝ＶＳにすれば、レンズ電界は非対称にならず、試料を高角度傾斜しても、試料表面のパタンや、異物・欠陥を高分解能観察できる。
【００２３】
しかし、試料５が石英ガラスのような、極めて電気的絶縁性が高い試料（絶縁性試料と称する）では、既述の如くＶＬ＝ＶＳの条件であると試料５の傾斜、非傾斜によらず、２次電子信号が検出しにくくなり、像が極めて暗くなる現象が生じる。
【００２４】
絶縁性試料の観察時において、このような不具合が生じるのを防止するため、走査型電子線装置１０においては、試料５に隣り合う下電極３ｂに印加する電位を、試料５が正に帯電された状態において、該試料５の表面の実際の電位が周囲電位とほぼ同じとなるようなレベルとし、これにより、試料５が正に帯電したとしても、試料５から放出された２次電子が試料５の表面近傍から抜け出して、２次電子検出器２に到達することができるように構成されている。この場合、電極３ｂの電位はそのままとし、試料５への印加電位を低くして、該試料５の表面の実際の電位が周囲電位とほぼ同じとなるようなレベルとしてもよい。
【００２５】
このことを、図２及び図３を用いて詳しく説明する。
【００２６】
図２は、２次電子信号量（ａ．ｕ．）と下電極３ｂの電位ＶＬとの間の関係を示す２次電子信号量特性のグラフである。ここで、試料の電位ＶＳは−１ｋＶである。実線で示す曲線ａは、導電性試料の場合の２次電子信号量特性、曲線ｂは絶縁性試料の場合の２次電子信号量特性を示す。ＶＬ＝−１ｋＶのとき、点線で示す曲線ｂで示した２次電子信号量は、曲線ａで示した２次電子信号量の１／１００に減少しており、像が極めて暗くなることが判る。しかし、ＶＬを−９２０Ｖにすると、曲線ｂで示した２次電子量は、ＶＬ＝−１ｋＶのときの１００倍に増大し、明るい像が得られることが判る。このように、絶縁性の極めて高い試料の場合、試料５の周囲の電極電位、ここでは下電極３ｂの電位ＶＬを、試料５の電位ＶＳよりも高くすれば明るい像が得られることがわかる。
【００２７】
以上の現象は、次のように解釈される。図３は、銅への入射電子エネルギーに対する２次電子放出効率δ（２次電子量の入射電子量に対する割合）の例を示したグラフである。（真空  第４１巻第３号（１９９８）、Ｐ２３９−２４１）曲線イは、初期状態、曲線ロは、Ａｒイオンを照射し清浄表面にした状態である。曲線イでは、表面に酸化層がありその影響でδがより高くなっている。試料の絶縁性が高いと、この傾向はより大きくなると考えられる。従って、入射エネルギー１ｋＶ前後において、絶縁性の高い試料では、入射電子量に対し放出電子量が大きく、試料は正に帯電する。
【００２８】
以上のことを図１の実施形態の場合に適用すると以下のように言うことができる。試料５が石英ガラスのような絶縁性試料である場合には、その表面は正方向に帯電するので、試料５の表面の真の電位は印加電圧−１ｋＶより高く、例えば−９２０Ｖになり、数ｅＶのエネルギーしか有していない試料５からの２次電子は、試料５と、試料５に最も近い電極である下電極３ｂの電位−１ｋＶとの電位差−８０Ｖを越えられず、２次電子検出器２により検出されなくなる。そこで、下電極３ｂの印加電位を上げ、例えば−９２０Ｖにすると、試料５からの２次電子は下電極穴３Ｃを通過することができ、２次電子検出器２により検出されるようになる。下電極３ｂの印加電位を−１ｋＶのままとし、試料５への印加電位を下げるように、例えば−１０８０Ｖにしても同様の作用効果を得ることができる。  なお、以上は、観察点での電位の上昇分が、８０Ｖ程度の場合について示したが、この大きさは、石英ガラス表面に形成されるパターン幅や、一連のパターン製造工程における段階によっても異なる。我々の実験では、この上昇分は最大で５００Ｖになる場合があった。
【００２９】
以上では、導電性試料観察のとき、ＶＬ＝ＶＳ＝−１ｋＶを印加する場合、絶縁性試料観察では、ＶＬを数十Ｖ高くすることについて述べた。なお、導電性試料観察のとき、ＶＬ＝ＶＳ＝０Ｖ（：アース電位）である場合には、絶縁性試料観察では、同様にＶＬをアース電位よりも数十Ｖ高くし、例えば＋８０Ｖを印加すれば明るい像をえることができる。
【００３０】
図５は、本発明の他の実施形態を示す断面図である。図５に示す走査型電子線装置１０’は、電子線源１からみて、試料５より手前に単磁極４ａが位置する単極磁界型対物レンズ４を有する電子線装置で、バイポテンシャルレンズ３が組み込まれていない点で、図１の走査型電子線装置１０と異なっている。
【００３１】
走査型電子線装置１０’の場合にも、試料５が導電性試料の場合には、単磁極４ａの電位と試料５への印加電位とを同じアース電位にして、試料５の明るい像を得ることができる。そして、試料５が絶縁性試料の場合には、試料５の表面が正に帯電することの不具合を解消するために、試料５に負電圧ＶＳを印加し、これにより、試料５の表面の実際の電位を単磁極４ａの電位と同じにし、試料５に正の帯電があっても明るい像を得るようにすることができる。
【００３２】
上記では、ＶＬ＞ＶＳとすることにより、試料５の表面の正方向の帯電による不具合を解消するようにしたが、試料５に前もって大きなビーム電流を所定時間照射すると、ＶＬ＝ＶＳ＝−１ｋＶであっても、明るい像が得られ、その後高分解能像が得られるようにビーム電流を１／１０以下に小さくしても、明るい像を得ることができる。
【００３３】
その理由は次の通りである。図４は、図３と同じ試料において、電荷照射量を変えた場合の２次電子放出効率を示すグラフである。このグラフは電荷照射量が増加するに従いδが減少することを示している。図１の例に適用すると、大きなビーム電流で絶縁性の試料５を所定時間照射することにより試料５の正方向の帯電が緩和され、試料５の表面電位が印加電位と同じになり、その結果、試料５からの２次電子が効率よく検出されるようになり、ＶＬ＝ＶＳであっても明るい像が得られることになる。
【００３４】
なお、特許文献２の図１に示される構成の場合や、試料をレンズ磁極の外に設定する形式の通常のＳＥＭにおいても、試料に前もって大きなビーム電流で所定時間照射しておくことにより、試料であるウエハとこれに対向する磁極頂面が同じアース電位（ＶＬ＝ＶＳ）であっても、明るい像を得ることができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、石英ガラスのような、極めて絶縁性の高い試料表面からの２次電子を効率良く検出でき、明るい観察像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一例を示す断面図。
【図２】２次電子信号量と下電極の電位との間の関係を示す２次電子信号量特性のグラフ。
【図３】銅への入射電子エネルギーに対する２次電子放出効率を示したグラフ。
【図４】電荷照射量を変えた場合の２次電子放出効率を示すグラフ。
【図５】本発明の他の実施形態を示す断面図。
【符号の説明】
１  電子線源
２  ２次電子検出器
３  バイポテンシャルレンズ
３ａ  上電極
３ｂ  下電極
４１  磁極
４２  励磁コイル
Ｚ  ２次電子
【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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