(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に電子ビームを照射し、前記電子ビームによって前記半導体基板に誘起された基板電流を測定し、該基板電流を前記電子ビームの照射量で規格化した値を出力するように構成された半導体分析装置であって、
前記半導体基板を支持する半導体基板支持手段と、
電子を放出する電子ビーム源と、
前記電子ビーム源から放出された電子流の一部を選択的に通過させるための貫通孔を有し、前記電子流の通過を制限して前記半導体基板に照射される電子ビームを形成する電子ビーム制限部材と、
前記電子ビーム源と前記電子ビーム制限部材との間に設けられ、前記電子ビーム制限部材と電気的に絶縁され、前記貫通孔と該貫通孔を取り囲む前記電子ビーム制限部材上の所定領域とを除いて、前記電子ビーム源から放出されて前記電子ビーム制限部材へ向かう前記電子流を遮蔽する遮蔽部材と、
前記半導体基板に誘起された基板電流を測定する第１測定手段と、
前記電子ビーム制限部材に誘起された電流を測定する第２測定手段と、
を備えた半導体分析装置。
【請求項２】
半導体基板に電子ビームを照射し、前記電子ビームによって前記半導体基板に誘起された基板電流を測定し、該基板電流を前記電子ビームの照射量で規格化した値を出力するように構成された半導体分析装置であって、
前記半導体基板を支持する半導体基板支持手段と、
電子を放出する電子ビーム源と、
前記電子ビーム源から放出された電子流の一部を選択的に通過させるための貫通孔を有し、前記電子流の通過を制限して前記半導体基板に照射される電子ビームを形成する電子ビーム制限部材と、
前記電子ビームを瞬時的に偏向するための電子ビーム偏向手段と、
前記電子ビーム偏向手段により偏向された電子ビームを検出するための電子ビーム検出器と、
前記半導体基板に誘起された基板電流を測定する第１測定手段と、
前記電子ビーム検出器で検出された電子ビームの照射量を測定する第２測定手段と、
を備えた半導体分析装置。
【請求項３】
半導体基板に電子ビームを照射し、前記電子ビームによって前記半導体基板に誘起された基板電流を測定し、該基板電流を前記電子ビームの照射量で規格化した値を出力するように構成された半導体分析装置であって、
前記半導体基板を支持する半導体基板支持手段と、
電子を放出する電子ビーム源と、
前記電子ビーム源から放出された電子流の一部を選択的に通過させるための貫通孔を有し、前記電子流の通過を制限して前記半導体基板に照射される電子ビームを形成する電子ビーム制限部材と、
前記電子ビーム源と前記電子ビーム制限部材との間に設けられ、前記電子ビーム制限部材と電気的に絶縁され、前記貫通孔と該貫通孔を取り囲む前記電子ビーム制限部材上の所定領域とを除いて、前記電子ビーム源から放出されて前記電子ビーム制限部材へ向かう前記電子流を遮蔽する遮蔽部材と、
前記電子ビームを瞬時的に偏向するための電子ビーム偏向手段と、
前記電子ビーム偏向手段により偏向された電子ビームを検出するための電子ビーム検出器と、
前記半導体基板に誘起された基板電流を測定する第１測定手段と、
前記電子ビーム制限部材に誘起された電流を測定する第２測定手段と、
前記電子ビーム検出器で検出された電子ビームの照射量を測定する第３測定手段と、
を備えた半導体分析装置。
【請求項４】
前記遮蔽部材は接地されていることを特徴とする請求項１または３に記載の半導体分析装置。
【請求項５】
前記電子ビーム検出器がファラデーカップであることを特徴とする請求項２または３に記載の半導体分析装置。
【請求項６】
前記電子ビーム制限部材は、前記貫通孔の中心領域に電子ビーム検出領域を有し、
前記第２測定手段は、前記電子ビーム検出領域に誘起された電流を測定する
ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の半導体分析装置。
【請求項７】
前記電子ビーム制限部材は、前記貫通孔に同心円状の電子ビーム検出領域を有し、
前記第２測定手段は、前記電子ビーム検出領域に誘起された電流を測定する
ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の半導体分析装置。
【請求項８】
前記電子ビーム制限部材は、前記貫通孔に放射状の電子ビーム検出領域を有し、
前記第２測定手段は、前記電子ビーム検出領域に誘起された電流を測定する
ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の半導体分析装置。
【請求項９】
前記貫通孔に、前記電子ビーム検出領域で検出された電流を外部に取り出すための配線部を設けた請求項６ないし８の何れか１項に記載の半導体分析装置。
【請求項１０】
前記第２測定手段の測定値と前記半導体基板に照射される電子ビームの照射量との間の対応関係に基づく所定の換算式を用いて、前記第２測定手段の測定値を前記電子ビームの照射量に換算することを特徴とする請求項１または３に記載の半導体分析装置。
【請求項１１】
前記第２測定手段の測定値を用いて前記第１測定手段の測定値を正規化することを特徴とする請求項１または３に記載の半導体分析装置。
【請求項１２】
前記遮蔽部材は、ファラデーカップ状に形成されたことを特徴とする請求項１または３に記載の半導体分析装置。
【請求項１３】
前記電子ビーム制限部材は、ファラデーカップ状に形成されたことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の半導体分析装置。
【請求項１４】
前記遮蔽部材は、前記電子流を吸収する性質を有する材料からなることを特徴とする請求項１または３に記載の半導体分析装置。
【請求項１５】
前記遮蔽部材は、シリコン含むことを特徴とする請求項１または３に記載の半導体分析装置。
【請求項１６】
前記電子ビーム制限部材は、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）の何れかであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の半導体分析装置。
【請求項１７】
前記電子ビーム制限部材は、金属酸化物、導電性セラミックの何れかであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の半導体分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビームを利用した半導体分析装置に関し、特に半導体デバイスの製造工程を評価するのに好適な半導体分析装置に関する。更に詳しくは、本発明は、半導体基板に照射される電子ビームの照射量を精度よく測定することにより、電子ビーム銃の経年変化や環境変化に伴う電子ビーム量の変動が分析結果に与える影響を抑制するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０に、電子ビームを利用した従来の半導体分析装置の構成を概略的に示す。この分析装置は、半導体デバイスの製造工程を管理することを目的として、半導体基板上に形成された微細構造を分析するための装置であって、電子ビームを半導体基板に照射し、その際に半導体基板に生じる基板電流を測定することにより半導体基板上の微細構造の形成状態を分析するものである。この分析装置を用いて、短期や長期などの様々な時間周期で半導体デバイスの製造工程が管理される。【０００３】
ここで、この種の半導体分析装置による基板電流の測定値の信頼度を維持するためには、その測定値の精度が長期にわたって安定している必要があり、一般に、測定値自体の変動量が１％以下であることが必要とされる。測定値の変動量が１％以下となるように電子ビームを安定化させるためには、電子ビーム源の温度を±０．１度の範囲内に厳格に維持することが必須である。一方、電子ビーム源自体が消耗部品であるために、電子ビームの特性は経年変化し、長期にわたって電子ビーム源の特性を一定に維持することは困難である。【０００４】
そこで、従来、図１０に示すように、半導体基板４に照射される電子ビーム１３の照射量をモニターするためのファラデーカップ８をトレイ５の端部に設けて、このファラデーカップ８に電子ビームを照射し、その時にファラデーカップ８に現れる電流量を電流計Ｂで測定することにより、電子ビーム１３の照射量の管理が定期的に行われている。【０００５】
ここで、図１０に示す従来装置の構成を簡単に説明すると、真空チャンバー７の内部には、ＸＹステージ６に取り付けられたトレイ５が配置され、このトレイ５には分析の対象物である半導体基板４が載置されている。このトレイ５には電流計Ａが接続されており、トレイ５に載置された半導体基板４の基板電流が電流計Ａにより測定されるようになっている。また、上述のように、このトレイ５の端部にはファラデーカップ８が取り付けられており、このファラデーカップ８には電流計Ｂが接続されている。電子ビーム１３の照射量は、電流計Ｂにより電流量として測定されるようになっている。【０００６】
真空チャンバー７の上部には、電子ビーム源１を備えた電子銃１１が取り付けられており、その電子銃１１のビーム方向がトレイ５上の半導体基板４に向けられている。電子銃１１の内部には、コンデンサーレンズ２、アパチャー１０、対物レンズ３がこの順に配置されている。電子ビーム源１には、高圧電源９から動作電圧として高電圧が供給される。【０００７】
一般に、電子ビーム源１を構成する電子ビーム放出素子としては、サーマルフィールドエミッターが用いられる。サーマルフィールドエミッターは、先端が鋭利なタングステン電極の表面に、仕事関数を下げるためのZrO等をコーティングしたもので、電子を放出するために１８００Kくらいに加熱した状態で利用される。このサーマルフィールドエミッターは、真空状態や温度の変化などの僅かな環境変化の影響を受けやすく、放出される電子ビームの性質や量が環境変化によって変動する特性を持っている。【０００８】
また、この種の半導体分析装置では、半導体基板に向けて照射される電子ビーム量は、電流量に換算するとピコアンペアのオーダー以下の極めて微弱な電流量に相当する。このように微弱な電子ビームの照射量は、上述のような種々の環境要因の影響を受けて変動しやすく、電子ビームの照射量が変動すると基板電流の測定値も変動し、その結果、測定精度が低下する。【０００９】
そこで、電子ビームを利用したこの種の半導体分析装置では、基板電流の測定値を電子ビームの照射量で正規化し（即ち、測定結果を電子ビームの照射量に対する基板電流の比で表し）、これにより、電子ビームの照射量が変動しても、その影響が測定値に現れないようにしている。【００１０】
従って、電子ビームによって半導体基板に誘起された基板電流を測定するこの種の半導体分析装置では、従来のSEMなどとは違って、電子ビームの照射量を正確に知ることが重要である。なぜならば、電子ビームの照射量が不正確であれば、この電子ビームの照射量で正規化された基板電流の測定値も不正確になるからである。
【特許文献１】特開２００５−０２６４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
図１０に示す従来技術によれば、基板電流の測定に使用する電流計Ａとは別の電流計Ｂを使用して電子ビームの照射量を測定するため、測定系の特性の差が測定値の誤差として現れ、精度よく基板電流を正規化できないという問題がある。【００１２】
また、上述の従来技術によれば、電子ビームの照射量を測定するためには、１枚のウエハーあるいは１測定点について基板電流の測定が終了する度に、ＸＹステージ６により電子ビーム１３の照射位置をファラデーカップ８の位置まで移動させてファラデーカップ８に電子ビーム１３を照射する必要がある。【００１３】
このため、基板電流の測定中に電子ビームの照射量をリアルタイムに測定することはできず、電子ビームの照射量を概略的にしか知ることができないという問題がある。従って、基板電流の測定中に電子ビームの照射量が変動すると、その変動が、正規化された基板電流の測定値にそのまま誤差として現れるという問題がある。【００１４】
さらにまた、上述の従来技術によれば、電子ビームの照射量を測定する場合、電子ビームの照射位置をトレイ５上のファラデーカップ８の位置まで機械的に移動させる必要があるため、測定作業が煩雑となり、測定に時間を要し、測定作業のスループットが低下するという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、半導体基板に電子ビームを照射し、前記電子ビームによって前記半導体基板に誘起された基板電流を測定し、該基板電流を前記電子ビームの照射量で規格化した値を出力するように構成された半導体分析装置であって、前記半導体基板を支持する半導体基板支持手段と、前記電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、前記電子ビームを検出するための電子ビーム検出器と、前記半導体基板に誘起された基板電流と前記電子ビーム検出器で検出された電子ビームの照射量とを測定するために共用される測定手段と、を備えた半導体分析装置の構成を有する。【００１６】
この構成によれば、測定手段が、半導体基板に誘起された基板電流と電子ビーム検出器により検出された電子ビームの照射量との両方の測定に共用されるので、測定手段の特性（例えば測定精度）が基板電流及び電子ビーム照射量の各測定値に与える影響は同等である。このため、電子ビームの照射量で基板電流を正規化して得られる値には、測定手段の特性による影響が現れない。従って、測定系の特性の影響を受けることなく、電子ビームの照射量で精度よく基板電流を正規化することが可能になる。【００１７】
本発明は、半導体基板に電子ビームを照射し、前記電子ビームによって前記半導体基板に誘起された基板電流を測定し、該基板電流を前記電子ビームの照射量で規格化した値を出力するように構成された半導体分析装置であって、前記半導体基板を支持する半導体基板支持手段と、電子を放出する電子ビーム源と、前記電子ビーム源から放出された電子流の一部を選択的に通過させるための貫通孔を有し、前記電子流の通過を制限して前記半導体基板に照射される電子ビームを形成する電子ビーム制限部材と、前記電子ビーム制限部材と電気的に絶縁され、前記貫通孔と該貫通孔を取り囲む前記電子ビーム制限部材上の所定領域とを除いて、前記電子ビーム源から放出された前記電子流を遮蔽する遮蔽部材と、前記半導体基板に誘起された基板電流を測定する第１測定手段と、前記電子ビーム制限部材に誘起された電流を測定する第２測定手段と、備えた半導体分析装置の構成を有する。【００１８】
この構成によれば、貫通孔を取り囲む電子ビーム制限部材上の所定領域に電子流が照射される結果、実際に半導体基板に照射される電子ビームと極めて近似した特性を有する周辺の電子流が電子ビーム制限部材によって検出され、その電流量が第２測定手段によって測定される。従って、第２測定手段の測定値は、実際に半導体基板に照射される電子ビームの照射量と密接な相関関係を有し、この第２測定手段の測定値から実際の電子ビームの照射量を知ることが可能になる。よって、実際に半導体基板に照射される電子ビームに影響を与えることなく、基板電流の測定中に電子ビームの照射量をリアルタイムに把握することが可能になり、基板電流の測定中に電子ビームの照射量が変動しても、基板電流を精度よく正規化することが可能になる。【００１９】
本発明は、半導体基板に電子ビームを照射し、前記電子ビームによって前記半導体基板に誘起された基板電流を測定し、該基板電流を前記電子ビームの照射量で規格化した値を出力するように構成された半導体分析装置であって、前記半導体基板を支持する半導体基板支持手段と、電子を放出する電子ビーム源と、前記電子ビーム源から放出された電子流の一部を選択的に通過させるための貫通孔を有し、前記電子流の通過を制限して前記半導体基板に照射される電子ビームを形成する電子ビーム制限部材と、前記電子ビームを瞬時的に偏向するための電子ビーム偏向手段と、前記電子ビーム偏向手段により偏向された電子ビームを検出するための電子ビーム検出器と、前記半導体基板に誘起された基板電流を測定する第１測定手段と、前記電子ビーム検出器で検出された電子ビームの照射量を測定する第２測定手段と、を備えた半導体分析装置の構成を有する。【００２０】
この構成によれば、電子ビーム制限部材の貫通孔を通過した電子ビームの照射方向を電子ビーム偏向手段によりファラデーカップに向けることができる。従って、機械的に半導体基板を移動させることなく、実際に半導体基板に照射される電子ビームの照射量を測定することが可能になる。よって、測定作業を迅速に行うことが可能となり、測定作業のスループットを向上させることが可能になる。【００２１】
本発明は、半導体基板に電子ビームを照射し、前記電子ビームによって前記半導体基板に誘起された基板電流を測定し、該基板電流を前記電子ビームの照射量で規格化した値を出力するように構成された半導体分析装置であって、前記半導体基板を支持する半導体基板支持手段と、電子を放出する電子ビーム源と、前記電子ビーム源から放出された電子流の一部を選択的に通過させるための貫通孔を有し、前記電子流の通過を制限して前記半導体基板に照射される電子ビームを形成する電子ビーム制限部材と、前記電子ビーム制限部材と電気的に絶縁され、前記貫通孔と該貫通孔を取り囲む前記電子ビーム制限部材上の所定領域とを除いて、前記電子ビーム源から放出された前記電子流を遮蔽する遮蔽部材と、前記電子ビームを瞬時的に偏向するための電子ビーム偏向手段と、前記電子ビーム偏向手段により偏向された電子ビームを検出するための電子ビーム検出器と、前記半導体基板に誘起された基板電流を測定する第１測定手段と、前記電子ビーム制限部材に誘起された電流を測定する第２測定手段と、前記電子ビーム検出器で検出された電子ビームの照射量を測定する第３測定手段と、
を備えた半導体分析装置の構成を有する。【００２２】
この構成によれば、実際に半導体基板に照射される電子ビームに影響を与えることなく、基板電流の測定中に電子ビームの照射量をリアルタイムに取得することができ、この電子ビームの照射量を用いて基板電流の正規化を精度よく行うことが可能になる。また、機械的に半導体基板を移動させることなく、電子ビーム偏向手段により電子ビームの照射方向をファラデーカップに向ることにより、その照射量を測定することが可能になる。従って、電子ビーム制限部材によって検出された電子ビームの電流量を、半導体基板に照射される電子ビームの照射量に換算するための換算式をリアルタイムに更新することが可能になり、一層精度よく基板電流を正規化することが可能になる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、測定手段を共用して基板電流と電子ビーム量の両方を測定するようにしたので、測定系の特性の違いに影響されることなく、基板電流の測定値を電子ビームの照射量で正規化することが可能になる。従って、正規化された基板電流値の精度を向上させることが可能になる。【００２４】
本発明によれば、実際に半導体基板に照射される電子ビームの近傍の電子流を電子ビーム制限手段（アパチャー）を介して検出するようにしたので、基板電流の測定中にリアルタイムに実際の電子ビームの照射量を知ることができる。従って、電子ビームの照射量の変動により基板電流が変動しても、この基板電流の変動をもたらした電子ビームの照射量を用いて該基板電流の測定値が正規化されるので、結果として基板電流の測定値には電子ビームの変動の影響が現れず、精度よく基板電流を正規化することが可能になる。また、長時間にわたる基板電流の測定作業においても、電子ビームの変動を気にすることなく基板電流を測定することが可能になる。従って、電子ビームの照射量の管理調整作業等が不要となり、装置の実効稼働率を向上させることができる。【００２５】
また、本発明によれば、基板電流の測定中に電子ビームの照射量をリアルタイムに測定することができるので、電子ビーム源の突発的な電流増減現象が発生しても、この現象に起因する電子ビームの照射量の変動を即座に検出することが可能になる。従って、上記現象によるノイズの影響を受けることなく、安定的かつ高精度な測定が可能となる。【００２６】
本発明によれば、電子ビームを瞬時的に偏向させて電子ビームの照射量を測定するようにしたので、電子ビームの照射量を測定する際に、電子ビームの照射位置を機械的に移動させる必要がなくなる。従って電子ビームの照射量の測定時間を大幅に短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】半導体分析装置の基本的な動作原理を説明するための図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る半導体分析装置の構成を概略的に示す図である。
【図３Ａ】本発明の第１実施形態に係る分析装置の動作（第１の動作例）を説明するための図である。
【図３Ｂ】本発明の第１実施形態に係る分析装置の動作（第２の動作例）を説明するための図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る半導体分析装置の構成を概略的に示す図である。
【図５Ａ】本発明の第２実施形態に係る半導体分析装置の要部であるアパチャー（電子ビーム制限手段）の第１の構成例を説明するための図である。
【図５Ｂ】本発明の第２実施形態に係る半導体分析装置の要部であるアパチャー（電子ビーム制限手段）の第２の構成例を説明するための図である。
【図５Ｃ】本発明の第２実施形態に係る半導体分析装置の要部であるアパチャー（電子ビーム制限手段）の第３の構成例を説明するための図である。
【図５Ｄ】本発明の第２実施形態に係る半導体分析装置の要部であるアパチャー（電子ビーム制限手段）の第４の構成例を説明するための図である。
【図５Ｅ】本発明の第２実施形態に係る半導体分析装置の要部であるアパチャー（電子ビーム制限手段）の第５の構成例を説明するための図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る半導体分析装置の較正方法を説明するための図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る分析装置の較正方法によって得られるファラデーカップ電流とアパチャー電流との対応関係を示す特性図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る半導体分析装置の構成を概略的に示す図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係る半導体分析装置の構成を概略的に示す図である。
【図１０】従来の半導体分析装置の構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  電子ビーム源
２  コンデンサーレンズ
３  対物レンズ
４  半導体基板（サンプル）
５  トレイ
６  ＸＹステージ
７  真空チャンバー
８  ファラデーカップ
９  高圧電源
１０  アパチャー
１１  電子銃
１２  二次電子検出器
１３  電子ビーム
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明の実施形態を説明する前に、本発明による半導体分析装置が前提とする動作原理を説明する。この動作原理は、後述する各実施形態の半導体分析装置に共通している。
図１は、本発明の半導体分析装置が前提とする動作原理を説明するための図である。同図において、「入力」は、分析対象物である半導体基板に照射される電子ビーム量であり、「出力」は、半導体基板に照射された電子ビームによって半導体基板に誘起される基板電流量である。【００３０】
半導体基板に一定の電子ビームを「入力」として照射すると、半導体基板に基板電流が誘起される。この基板電流の量は半導体基板に到達する電子ビームの量に依存し、この半導体基板に到達する電子ビームの量は、上記電子ビームの照射位置における半導体基板上の微細構造の形成状態に応じたものとなる。例えば、微細構造をなすポリシリコンの膜厚が大きい部位では電子ビームの通過量が減少するため、基板に到達する電子ビームの量が少なくなる結果、この電子ビームによって誘起される基板電流が少なくなる。これに対し、微細構造の膜厚が小さい部位では、電子ビームの通過量が増加するため、基板に到達する電子ビームの量が多くなる結果、この電子ビームによって誘起される基板電流が多くなる。【００３１】
このように、半導体基板に到達した電子ビームは上記「出力」として基板電流を誘起するが、この基板電流量は、半導体基板に到達した電子ビーム量に応じたものとなり、半導体基板に到達する電子ビーム量は半導体基板上の微細構造の影響を受ける。従って、半導体基板に到達した電子ビームによって誘起される基板電流量には微細構造の形成状態が反映され、この基板電流から半導体基板上に形成された微細構造の形成状態を知ることが可能となる。【００３２】
また、前述したように、半導体基板に照射される電子ビーム量は、電流に換算すると約１０ｐＡの極めて微弱な電流量に相当し、環境変化の影響を受けて変動しやすい。このため、測定された基板電流値そのものを最終的な測定値として出力するのではなく、図１に示すように、「入力」である電子ビームの照射量に対する「出力」である基板電流量の比率（単位電子ビーム量を照射した時の基板電流量）、即ち、電子ビームを照射した際に測定される基板電流量を電子ビームの照射量で規格化した値を最終的な測定値として出力する。【００３３】
上述のように正規化した値を最終的な測定値として出力することにより、電子ビームの照射量の変動に影響されることなく、半導体基板上の微細構造を精度よく分析することが可能になる。なぜならば、電子ビームの照射量が変動すると、この電子ビームの照射によって誘起される基板電流量も同様に変動する結果、正規化された値には電子ビームの変動が現れないからである。
このように、本発明に係る半導体分析装置は、半導体基板に電子ビームを照射し、前記電子ビームによって前記半導体基板に誘起された基板電流を測定し、該基板電流を前記電子ビームの照射量で規格化した値を出力するように構成されている。以上で、本発明の半導体分析装置が前提とする動作原理を説明した。【００３４】
次に、本発明による実施形態について図面を参照して説明する。
なお、各実施形態において共通する要素には同一符号を付す。
［第１実施形態］
図２に、本発明の第１実施形態による半導体分析装置の構成を示す。
同図に示すように、本半導体分析装置は、分析対象物である半導体基板４を収容する真空チャンバー７と、真空チャンバー７の上部に配置された電子銃１１と、真空チャンバー７の内部に配置されたトレイ５及びＸＹステージ６と、トレイ５の端部に設けられたファラデーカップ８と、上記トレイ５及びファラデーカップ８の双方に電気的に接続された電流計Ａとから構成される。【００３５】
上記トレイ５には半導体基板４が載置され、この半導体基板４の表面に電子銃１１から電子ビーム１３が照射されるように、トレイ５と電子銃１１との位置関係が設定されている。また、トレイ５はＸＹステージ６上に取り付けられており、ＸＹステージ６によりトレイ５の位置を移動させることにより、半導体基板４に対する電子ビーム１３の照射位置を調整することが可能となっている。また、このＸＹステージ６によりトレイ５の位置を移動させることにより、電子ビーム１３の照射位置をファラデーカップ８に合わせることも可能になっている。【００３６】
また、電子銃１１は電子ビーム源１を備え、電子ビーム源１には高圧電源９が接続されている。また、電子銃１１には、上記電子ビーム源１からの電子流の放出方向に沿って、コンデンサレンズ２、アパチャー１０、対物レンズ３がこの順に配置されている。さらに、本半導体分析装置は、図示しないが、電流計Ａで測定された電流値をデジタル信号にＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器と、Ａ／Ｄ変換されたデジタル信号を演算処理するためのコンピュータを備えている。このコンピュータは、本装置の各部の動作を制御するための処理も実行する。【００３７】
請求項との対応関係を捕捉説明すると、トレイ５及びＸＹステージ６は、半導体基板４を支持する半導体基板支持手段を構成し、電子銃１１は、電子ビームを発生する電子ビーム発生手段を構成し、ファラデーカップ８は、電子ビームを検出するための電子ビーム検出器を構成し、電流計Ａは、半導体基板４に誘起された基板電流と電子ビーム検出器により検出された電子ビームの照射量とを測定するために共用される測定手段を構成する。【００３８】
次に、本半導体分析装置の動作を説明する。
概略的には、本半導体分析装置は、半導体基板４に電子ビーム１３を照射することによって半導体基板４に誘起された基板電流を電流計Ａで測定すると共に、ファラデーカップ８に電子ビーム１３を照射することによってファラデーカップ８で検出された電流量（即ち、電子ビームの照射量に相当する電流量）を同じく電流計Ａで測定する。即ち、電流計Ａは、半導体基板４に誘起された基板電流の測定と、ファラデーカップ８により検出された電子ビームの照射量の測定とに共用される。そして、基板電流の測定値を電子ビームの照射量の測定値で規格化した値を最終的な測定値として出力する。【００３９】
続いて、本半導体分析装置の動作を詳細に説明する。
半導体基板４が新規に真空チャンバー７内のトレイ５上に載置されると、本装置のコンピュータの制御の下、ＸＹステージ６を移動させて、電子銃１１の真下にファラデーカップ８を位置させる。その状態で、電子銃１１から電子ビーム１３をファラデーカップ８に照射し、ファラデーカップ８のSEM像を取得する。そして、取得したファラデーカップ８のSEM像を、予め登録してあるパターンマッチング用のテンプレートと比較することにより、ファラデーカップ８の中心に電子ビーム１３が照射されるようにファラデーカップ８の位置決めを行う。【００４０】
ファラデーカップ８の位置決めが完了すると、実際に半導体基板４に照射するときと同じ量だけファラデーカップ８に電子ビーム１３を照射し、ファラデーカップ８に接続された電流計Ａでその電子ビームの照射量を測定する。【００４１】
上述の電子ビーム照射量の測定が終了すると、続いて、半導体基板４の分析動作、即ち基板電流の測定が行われる。具体的には、コンピュータの制御の下、半導体基板４に電子ビーム１３が照射されるようにＸＹステージ６の位置を調整することにより、半導体基板４の位置決めを行う。そして、半導体基板４上の測定点（分析対象の微細構造）に電子ビーム１３を照射し、その電子ビーム１３の照射によって半導体基板４に誘起される基板電流を、トレイ５を介して電流計Ａにより測定する。【００４２】
このように、トレイ５を介して測定された基板電流と、ファラデーカップ８を介して測定された電子ビームの照射量との２種類の測定値は、単一の電流計Ａによって測定され、これら２種類の測定値はA／D変換器（図示なし）によりデジタル信号に変換された後、コンピュータに取り込まれる。コンピュータに取り込まれた上記２種類の測定値はコンピュータ内の記憶装置に保存される。【００４３】
次に、コンピュータは、その記憶装置に保存された上記２種類の電流測定値（基板電流の測定値と電子ビームの照射量の測定値）を読み出し、基板電流の測定値を電子ビームの照射量の測定値で規格化した値を最終的な測定値として出力する。具体的には、基板電流の測定動作において測定された基板電流の測定値を、電子ビームの照射量の測定動作において測定された電子ビームの照射量で規格化（除算）し、この規格化された値を最終的な測定値として出力する。
このように測定された基板電流値を電子ビーム量で規格化することにより、電子ビームの照射量が変動することによる基板電流の測定値への影響を排除することができる。【００４４】
上述の説明では、基板電流の測定と電子ビームの照射量の測定回数はそれぞれ１回としたが、種々の基板電流の測定手順と電子ビームの照射量の測定手順を組み合わせてもよい。
図３Ａ，３Ｂを参照して、基板電流と電子ビームの照射量の各測定手順の組み合わせ例を順に説明する。
まず、図３Ａの例では、本半導体分析装置は、新規な１枚の半導体基板４の分析動作の前後に、ファラデーカップ８を用いて電子銃１１から照射される電子ビーム１３の照射量を測定する。即ち、新規な１枚の半導体基板４の複数の測定点での基板電流の測定動作の前後に、ファラデーカップ８を用いて電子銃１１から照射される電子ビーム１３の照射量を測定する。そして、各測定点で測定された基板電流値を規格化するために使用される電子ビームの照射量として、基板電流の測定動作の前後に行われた２回の電子ビームの照射量の平均値を用いる。【００４５】
具体的に説明すると、図３Ａのフローにおいて、本半導体分析装置に半導体基板４がロードされると（ステップＳＡ１）、ファラデーカップ８による１回目の電子ビームの照射量の測定が実施され、その測定値が記憶装置に保存される（ステップＳＡ２）。続いて、電子ビームが半導体基板４の最初の測定点に照射されて１回目の基板電流の測定が行われ、その測定値が記憶装置に保存される（ステップＳＡ３）。続いて、電子ビームが半導体基板４の２番目の測定点に照射されて２回目の基板電流の測定が行われ、その測定値が記憶装置に保存される（ステップＳＡ４）。その後、再び、ファラデーカップ８による２回目の電子ビームの照射量の測定が実施され、その測定値が記憶装置に保存される（ステップＳＡ５）、半導体基板４がアンロードされる（ステップＳＡ６）。上述により、１回目と２回目の電子ビームの照射量の測定動作における測定値（電子ビームの照射量の測定値）と、１回目と２回目の基板電流の測定動作における測定値（基板電流の測定値）との組が得られる。【００４６】
続いて、基板電流の測定動作の前に行われた１回目の電子ビーム照射量の測定動作で得られた電子ビーム照射量の測定値と、基板電流の測定動作の後に行われた２回目の電子ビーム照射量の測定動作で得られた電子ビーム照射量の測定値との平均値を求める。そして、前述の各測定点での基板電流の測定値を上記電子ビーム照射量の平均値で規格化（具体的には除算）し、この規格化された各測定点での基板電流値を最終的な測定値として出力する。【００４７】
このように各測定点で測定された基板電流値を電子ビーム照射量の平均値で規格化することにより、基板電流の測定動作の前後で電子ビーム照射量が変動しても、その変動が、規格化された基板電流値に与える影響を小さく抑えることが可能になり、電子ビーム照射量の変動に対して、規格化された基板電流値を安定化させることができる。
なお、上述の図３Ａに示す例では、基板電流の測定点を２個所としたが、測定点の数は任意に定めることができる。【００４８】
図３Ｂに示す例では、電子ビーム照射量の測定動作と基板電流の測定動作とを交互に行い、任意の測定点での基板電流値を規格化するために使用される電子ビーム量として、その測定点の直前と直後に測定された各電子ビーム量の平均値を採用する。【００４９】
具体的に説明すると、図３Ｂのフローにおいて、本半導体分析装置に半導体基板４がロードされると（ステップＳＢ１）、ファラデーカップ８による１回目の電子ビームの照射量の測定が実施され、その測定値が記憶装置に保存される（ステップＳＢ２）。続いて、電子ビームが半導体基板４の最初の測定点に照射されて１回目の基板電流の測定が行われ、その測定値が記憶装置に保存される（ステップＳＢ３）。続いて、ファラデーカップ８による２回目の電子ビームの照射量の測定が実施され、その測定値が記憶装置に保存される（ステップＳＢ４）。【００５０】
続いて、電子ビームが半導体基板４の２番目の測定点に照射されて２回目の基板電流の測定が行われ、その測定値が記憶装置に保存される（ステップＳＢ４）。その後、図示しないが、ファラデーカップ８による３回目の電子ビームの照射量の測定が実施され、ファラデーカップ８による測定と基板電流の測定とが交互に行われる。そして、最後の測定点について基板電流の測定が行われた後、ファラデーカップ８による電子ビームの照射量の測定が行われ、半導体基板４がアンロードされる。【００５１】
上記の測定動作によって得られた基板電流の測定値と電子ビームの照射量の測定値とがコンピュータで演算処理されて、各測定点の基板電流を電子ビームの照射量で規格化した値が最終的に出力される。例えば、１回目の基板電流の測定によって得られた基板電流の規格化には、ファラデーカップ８による１回目と２回目の各測定値の平均値が使用される。また、２回目の基板電流の測定によって得られた基板電流の規格化には、ファラデーカップ８による２回目と３回目の各測定値の平均値が使用される。同様に、各測定点での基板電流の規格化には、その直前と直後にファラデーカップ８によって測定された電子ビームの照射量の平均値が使用される。
この例によれば、上記の図３Ａに示す例に比較して、より一層、電子ビーム照射量の変動が、規格化された基板電流値に与える影響を小さく抑えることが可能になる。【００５２】
[第２実施形態]
図４に、本発明による第２実施形態による半導体分析装置の構成を示す。
本半導体分析装置は、半導体基板４に電子ビームを照射し、この電子ビームによって半導体基板４に誘起された基板電流を測定し、この基板電流を電子ビームの照射量で規格化した値を測定値として出力するように構成され、サーマルフィールドエミッター４１、サプレッサー電極４２、引き出し電極４３、シェード４４、アパチャー４５、対物レンズ４６、電流計Ａ１、電流計Ａ２を備える。電子ビーム放出素子４１には、各種の駆動電源Ｖｅｘ，Ｖｆ，Ｖｂが接続されている。【００５３】
請求項との対応関係を捕捉説明すると、トレイ５は半導体基板支持手段を構成し、サーマルフィールドエミッター４１は電子ビーム発生源を構成する。アパチャー４５は電子ビーム制限部材を構成し、シェード４４は遮蔽部材を構成し、電流計Ａ２は第１測定手段を構成し、電流計Ａ２は第１測定手段を構成する。図４には示されていないが、本実施形態においても、上述の第１実施形態と同様に、半導体基板４はトレイ５に載置されており、このトレイ５は図２に示すようなＸＹステージ６に取り付けられている。【００５４】
ここで、サーマルフィールドエミッター４１から放出される電子の量は、環境変化の影響を受けやすく、不安定である。例えば、ショトキーノイズと呼ばれる突発的な非常に高速の電流変動が生じる場合がある。また、サーマルフィールドエミッター４１は、先端鋭利なタングステン電極等の表面にZrO等の材料を付着させたものから出来ている。電極の先端形状や表面状態、あるいはZrOの付着の程度、さらにはエミッター自身の温度は容易に変化するため、電子ビーム照射量は常に変化している。従って、上述の第１実施形態のように電子ビームの照射量の平均値で規格化しても、電子ビームの照射量が突発的に変動した場合には、測定値に誤差が生じる場合がある。よって、電子ビームの照射量が突発的に変動に対応するためには、電子ビーム照射量をリアルタイムに測定する必要がある。そこで、本実施形態では、電子ビーム照射量をリアルタイムに測定する装置を提案し、アパチャーを含むその周辺の構成に特徴を有している。【００５５】
以下では、アパチャーを含むその周辺の構成に着目して説明する。
図４において、サーマルフィールドエミッター４１から放出された電子流は、いろいろな方向にいろいろなエネルギーで飛び出し、おおよそ円錐状に分布する。このサーマルフィールドエミッター４１から放出された電子流には、いろいろなエネルギー量を持つ電子が混在しているため、このままでは、電子ビームとしての収束性が低下し、高い解像度を得ることが出来ない。【００５６】
そこで、中心に数十ミクロンの貫通孔４５Ａが形成されたアパチャー４５により、サーマルフィールドエミッター４１から円錐状に飛び出した電子流のうち、エネルギーの揃った中心部分が選択的に取り出されて電子ビーム１３として使用される。サーマルフィールドエミッター４１から放出された電子のうち、実際に電子ビーム１３として取り出される電子の量は、サーマルフィールドエミッター４１から放出された全電子量の１００万分の１以下である。例えば、サーマルフィールドエミッター４１から放出される全電子量は約１００マイクロアンペアであり、実際に電子ビームとして半導体基板に照射される電子量は約１０pＡ以下である。このように微小な貫通孔４５Ａを有するアパチャー４５を用いて空間的に同じ場所から放出された電子ビームを選択的に抽出することにより、電子ビーム中の電子エネルギーを揃え、これにより電子ビームの収束性と分解能とを向上させている。【００５７】
上述のように、実際に半導体基板に照射される電子ビーム量は、サーマルフィールドエミッター４１から放出された全電子のうち、アパチャー４５の貫通孔４５Ａを通過したわずかな電子量に相当し、この電子ビーム量の変動が基板電流の測定値に影響を与える。従って、前述の第１実施形態で述べたように、基板電流の測定値を正規化するために使用される電子ビームの照射量を決定するためには、アパチャー４５を通過して実際に半導体基板４に照射される電子ビーム量を測定することが望ましい。【００５８】
しかしながら、上述の第１実施形態によれば、基板電流の測定中に電子ビーム照射量を測定することはできず、半導体基板４の基板電流をリアルタイムに測定することはできない。そこで、本実施形態では、半導体基板４に実際に照射される電子ビーム１３の周辺近傍の電子ビームであってアパチャー４５によって遮断された電子ビームを検出し、その電流値を測定することで、実際に半導体基板４に照射される電子ビーム量を間接的に把握する。【００５９】
本実施形態では、半導体基板４に照射される電子ビームの周辺近傍の電子ビーム量を検出するために、アパチャー４５の貫通孔４５Ａよりもわずかに大きな所定の孔径を有するシェード４４を、絶縁体を介してアパチャー４５の一面（サーマルフィールドエミッター４１を望む面）に取り付ける。そして、アパチャー４５に電流計Ａ１を接続し、シェード４４は接地される。【００６０】
図５に、アパチャー４５周辺の詳細な構成を示す。
同図において、貫通孔を有する円板状の支持体４７上にアパチャー４５が形成されおり、アパチャー４５の中心部には、支持体４７の上記貫通孔よりも小さな例えば１０μｍないし３０μｍ程度の貫通孔４５Ａが形成されている。この貫通孔４５Ａｈａ，電子ビーム源のサーマルフィールドエミッター４１から放出された全電子流の一部を選択的に通過させるためのものであり、このアパチャー４５により、上記電子流の通過を制限して上記電子ビーム１３を形成している。【００６１】
アパチャー４５には電流計Ａ１が接続されており、上記電子流によってアパチャー４５に誘起された電流量を測定することができるようになっている。アパチャー４５の外周側の支持体４７上には、貫通孔４５Ａより大きな貫通孔を有するシェード４４が絶縁体４６を介して形成されており、このシェード４４により、アパチャー４５の貫通孔４５Ａと、この貫通孔４５Ａを取り囲むアパチャー４５上の所定領域とを除いて、サーマルフィールドエミッター４１から放出された電子流を遮蔽するようになっている。このシェード４４は、接地されていると共に、アパチャー４５に対しては電気的に絶縁されている。支持体４７の貫通孔とアパチャー４５の貫通孔４５Ａとシェード４４の貫通孔の中心は略一致しており、アパチャー４５の貫通孔４５Ａの孔径によって、上述のサーマルフィールドエミッター４１から放出された電子の通過量が制限されるようになっている。【００６２】
このように絶縁体４６を介してシェード４４を設けることにより、アパチャー４５の貫通孔４５Ａから比較的離れた領域の電子はシェード４４により遮蔽されると共に、貫通孔４５Ａの近傍に位置するアパチャー４５上の所定領域（この例では、アパチャー４５の表面）に照射される電子ビーム量がアパチャー４５を介して電流計Ａ１によって測定される。また、シェード４４によって遮蔽された電子がシェード４４に蓄積すると、この電子によって形成される電界が電子ビームの軌道に影響を与えるおそれがあるが、シェード４４は接地されているために、シェード４４には電子が蓄積せず、そのような電子による影響は防止される。【００６３】
上述の電流計Ａ１によって測定される電流量は、半導体基板４に照射される電子ビーム１３による電流量ではなく、その周辺近傍の電子ビームによる電流量であるから、電流計Ａ１の測定値は、直接的には電子ビーム１３の照射量を表していない。しかし、アパチャー４５の貫通孔４５Ａを通過する電子ビーム１３と、それを取り囲む周辺近傍のアパチャー４５上に照射される電子ビームは、空間的な位置が極めて接近しているので、それらの電子ビームの特性（エネルギー、位相など）は極めて近似している。従って、例えば貫通孔４５Ａの面積とアパチャー４５の表面積（電子流が照射される面積）との関係に基づいて電流計Ａ１の測定値から電子ビーム１３の照射量を推定することも可能である。【００６４】
従って、本実施形態によれば、実際に半導体基板４に照射される電子ビーム１３と極めて特性が近似した周辺近傍の電子ビームを検出するので、実際に半導体基板４に照射される電子ビーム１３の照射を妨げることなく、基板電流の測定中にリアルタイムに電子ビーム１３の照射量を把握することが可能になる。【００６５】
上述のシェード４４の貫通孔はアパチャー４５の貫通孔４５Ａの面積の２倍から１０倍くらいの大きさが望ましい。シェード４４の貫通孔の面積は、シェード４４に照射される電子ビーム量に直接的な影響を与えるので、シェード４４の貫通孔を正確に形成することが望ましい。また、シェード４４の材料としては、二次電子放出比が１に近い材料（即ち、電荷が蓄積しにくい材料）であるシリコンなどをドーピングして利用することが望ましい。【００６６】
アパチャー４５は導電性材料で構成され、特に電子ビームを照射したときに、電子ビームを効率的に電流に変換する材料が望ましい。材料の種類によっては、電子ビームを照射しても二次電子を同じ量だけ放出し、電子ビームが効率的に電流に変換されない場合がある。そこで、本実施形態では、アパチャー４５の材料として、例えば、W、銅、アルミを用いる。アパチャー４５の表面（電子ビームの照射面）に細く深い溝や穴を形成することによって、アパチャー４５に吸収される電子量を増やすようにしてもよい。【００６７】
逆に、アパチャー４５の材料として、照射された電子ビーム量よりも多くの二次電子を放出する材料（電子増倍効果を有する材料）を用いても、同様に、電子ビーム１３の周辺近傍の電子ビームを感度よく検出することができる。そのような材料としては金属酸化物や導電性セラミック等が挙げられる。アパチャー４５及びシェード４４は、使用に際して１００度以上に加熱されることがあるので、加熱に耐えるような材料で構成される。【００６８】
次に、図５Ｂを参照して、アパチャー周辺の第２の構成例を説明する。
同図に示す例は、上述の図５Ａの構成において、シェード４４およびアパチャー４５をファラデーカップ状に形成したものである。即ち、シェード４４の内周縁と外周縁とに沿ってそれぞれ壁部４４Ｂを形成している。このように壁部４４Ｂを形成することにより、シェード４４に当たった電子ビームの周辺への飛散を防止し、アパチャー４５に照射される電子に与える影響を抑制することができる。同様に、アパチャー４５の内周縁に沿って壁部４５Ｂを形成して、貫通孔４５Ａを通過する電子に与える影響を防止してもよい。【００６９】
図５Ｃに、アパチャー周辺の第３の構成例を示す。
図５Ｃに示す構成例は、電子ビームを通過させる貫通孔６０Ａの中心領域に電子ビームを検出するための領域（電流測定領域）を備える。即ち、この構成例では、導電性部材からなる支持体６０が略円環状に形成され、この支持体６０には電流計Ａ１が接続されている。支持体６０の一部分６０Ｂは貫通孔６０Ａの中心に向かって十字状に延びており、この十字部分６０Ｂの交差部、即ち、支持体６０の貫通穴６０Ａの中心領域には、直径が数ミクロンの円板状の電子ビーム検出領域６１が設けられている。上述の支持体６０の十字部分６０Ｂは、電子ビーム検出領域６１と支持体６０との間の配線として機能し、電子ビーム検出領域６１で変換された電流は、十字部分６０Ｂを介して支持体６０に接続された電流計Ａ１で測定される。支持体６０の上部には、絶縁体６２を介してシェード６３が形成されており、このシェード６３は、電子ビームによる電荷が蓄積しないように接地されている。【００７０】
この構成例では、支持体６０の貫通孔６０Ａのうち、電子ビーム検出領域６１と十字部分６０Ｂとを除いた領域を通過する電子ビームが半導体基板に照射される。このような微細なアパチャーの構造は、近年のシリコンマイクロマシニング等のエッチング技術を用いて容易に形成することができる。また、図５Ｂに示す例のように、シェード６３をファラデーカップ状に形成してもよい。【００７１】
図５Ｄに、アパチャー周辺の第４の構成例を示す。
同図に示す構成例は、上述の図５Ｃの構成において、同心円状の２つの電子ビーム検出領域７０Ａ及び７０Ｂを更に備える。この構成例によれば、電子ビームエネルギー分布を反映させて、より精度よく電子ビーム量を推定することが可能になる。即ち、前述のサーマルフィールドエミッター４１から放出される電子ビームのエネルギーは、そのビームの中心を最大値として正規分布し、同心円状に同じような性質をもって分布している。従って、電子ビームの中心部分とその周辺部分では、厳密には、エネルギー分布が異なる。図７に示す例では、同心円状の電子ビーム検出領域７０Ａ及び７０Ｂにより中心領域の外側に位置する電子ビームも検出されるので、検出される電子ビームのエネルギー分散が小さくなり、かつ、電子ビームの検出量の絶対値を大きく取ることができる。従って、上述の図５Ｃに示す例に比較して、半導体基板に照射される電子ビーム量を、より一層精度よく推定することが可能になる。【００７２】
電子ビーム吸収領域６１，７０Ａ，７０Ｂはシリコンマイクロマシニング等で形成し、その表面には電子ビーム電流変換効率の高い材料を被覆する。上述のように、シェード６３は、電子ビームの照射によって電荷が蓄積されない材料を選ぶのが望ましく、シリコンなどが望ましい。また、電子ビーム検出領域６１，７０Ａ，７０Ｂとシェード６３は電気的に絶縁されており、シェード６３は接地されている。また、図５Ｂに示す例のように、シェード６３をファラデーカップ状に形成してもよい。【００７３】
図５Ｅに、アパチャー周辺の第５の構成例を示す。
同図に示す例は、前述の図５Ｃに示す構成において、放射状の電子ビーム検出領域７１Ａ〜７１Ｆを更に備える。このように電子ビーム検出領域を放射状に形成することにより、上述の電子ビームのエネルギー分布を一層精度よく反映させて電子ビーム量を推定することが可能になる。この例では、４個の電子ビーム検出領域７１Ａ〜７１Ｄを備えているが、これに限定されることなく、その数および配置位置を適宜設定することが可能である。【００７４】
前述の図４および図５Ａ〜５Ｅに示す第２の実施形態では、電流計Ａ１により測定される電子ビーム量は、実際にアパチャーを通過して半導体基板に照射される電子ビーム量ではなく、アパチャー（または電子ビーム検出領域）に照射された電子ビーム量である。従って、電流計Ａ１の測定値から実際に半導体基板に照射される電子ビーム量を知るためには、予め、電流計１の測定値とアパチャー４５を通過する電子ビーム量との対応関係を把握しておき、この所定の対応関係に基づいて電流計Ａ１の測定値を換算する必要がある。【００７５】
以下では、図６を参照して、電流計Ａ１の測定値を半導体基板４に照射される電子ビームの照射量に換算する方法について説明する。この換算を行うためには、アパチャー４５に接続された電流計１の測定値とアパチャー４５を通過する電子ビーム量との対応関係を把握する必要がある。【００７６】
図６は、上記対応関係を求めるための装置構成を示している。この図８に示す装置構成は、基本的には、図４に示す装置構成と同様であるが、アパチャー４５を通過した電子ビームの照射位置に半導体基板に代えて、電流計Ａ２に接続されたファラデーカップ８０を配置した点のみが異なる。【００７７】
以下、図６に示す装置構成を用いて上記対応関係を求める手順を説明する。
先ず、サーマルフィールドエミッター４１から放出される電子ビームの量を０から徐々に増やして行き、そのときにファラデーカップ８０に照射される電子ビームの電流量（以下、ファラデーカップ電流と称す）を電流計Ａ２により測定すると共に、アパチャー４５に照射された電子ビームの電流量（以下、アパチャー電流量と称す）を電流計Ａ１によって測定する。このようにして得られた電流計Ａ１の測定値（アパチャー電流）と電流計Ａ２の測定値（ファラデーカップ電流）とをプロットすると、図７に示す特性図が得られる。図７において、横軸はアパチャー電流（電流計Ａ１の測定値）を示し、縦軸はファラデーカップ電流（電流計Ａ２の測定値）を示す。【００７８】
両者にはほぼ直線関係があるので、回帰式を求めて、アパチャー電流からファラデーカップ電流への換算式を得る。例えば、「アパチャー電流＝１０＊ファラデーカップ電流」なる換算式が得られる。この換算式を用いることにより電流計Ａ１の測定値（アパチャー電流）から半導体基板に照射される電子ビームの照射量を推定することが可能になる。図７に示すアパチャー電流とファラデーカップ電流との対応関係は、上記のような換算式として本半導体分析装置のコンピュータに記憶されており、コンピュータは、アパチャー電流の測定値を換算して、前述の基板電流値の正規化に使用する電子ビームの照射量を決定する。【００７９】
[第３実施形態]
図８に、本発明による第３実施形態による半導体分析装置の構成を示す。
本半導体分析装置は、半導体基板４に電子ビームを照射し、前記電子ビームによって前記半導体基板に誘起された基板電流を測定し、該基板電流を前記電子ビームの照射量で規格化した値を測定値として出力するように構成され、サーマルフィールドエミッター４１、サプレッサー電極４２、引き出し電極４３、アパチャー１０６、ブランク電極１０６、ブランキング制御装置１０７、ファラデーカップ１０８、対物レンズ４６、電流計Ａ２、電流計Ａ３を含む。電子ビーム放出素子４１には、各種の駆動電源Ｖｅｘ，Ｖｆ，Ｖｂが接続される。【００８０】
ここで、アパチャー１０５は、サーマルフィールドエミッター４１から放出された電子流の一部を選択的に通過させるための貫通孔を有し、前記電子流の通過を制限して半導体基板４に照射される電子ビームを形成するものである。このアパチャー１０５の貫通孔の近傍にはブランキング電極１０６が設けられ、このブランキング電極１０６には、ブランキング制御装置１０７が接続されている。ブランキング電極１０６は、ブランキング制御装置１０７の制御の下に、アパチャー１０５を通過した電子ビームを瞬時的に偏向するためのものである。ブランキング電極１０６により偏向された電子ビームの照射位置には、電流計Ａ３に接続されたファラデーカップ１０８が設けられる。このファラデーカップ１０８により、上記偏向された電子ビームが検出されるようになっている。【００８１】
次に、本実施形態の動作を説明する。
半導体基板４の基板電流を測定する通常動作では、ブランキング電極１０６による偏向は行われず、アパチャー１０５を通過した電子ビームはそのまま半導体基板４に照射され、そのときに発生する基板電流が電流計Ａ２によって測定される。【００８２】
電子ビームの照射量の測定動作では、ブランキング制御装置１０７の制御の下、アパチャー１０５を通過した電子ビームをブランキング電極１０６により瞬時的に偏向し、これをファラデーカップ１０８に導く。偏向された電子ビームの照射量はファラデーカップＡ３で検出され、電流計Ａ３によって測定される。即ち、この例によれば、実際に半導体基板４に照射される電子ビーム１３の照射量が直接的に測定される。【００８３】
通常、半導体基板上の測定点に置ける基板電流を測定する時間は１秒程度であるが、その測定の前後あるいは必要に応じてブランキング電極１０６によって電子ビームを偏向し、ファラデーカップ１０８に入射させる。そのタイミングにて電流計Ａ３により電流値を測定する。電流計Ａ３によって測定された値は、コンピュータ（図なし）に記憶され、前述したように、電流計Ａ２によって測定された基板電流の規格化に利用される。【００８４】
本実施形態によれば、電子ビームの照射量を間接的に推定する上述の第２の実施形態に比較して、電子ビームの照射量を直接的に測定することができる。また、ブランキング動作（瞬時的な偏向動作）の速度とタイミングを調節することによって、半導体基板の基板電流の測定動作に殆ど影響を与えることなく、電子ビームの照射量を瞬時に測定することが出来る。例えば、ブランキング速度は数メガヘルツ以上の速度で行うことが可能であるため、基板電流の測定中に瞬時的にファラデーカップ１０８の方向に電子ビームを偏向して電流計Ａ３により電流を測定し、次の瞬間に電子ビームの照射方向を半導体基板４の方向に戻して電流計Ａ２により基板電流の測定を行うことが可能である。【００８５】
[第４実施形態]
図９に、本発明の第４実施形態の構成を示す。
同図に示す半導体分析装置は、前述の第２実施形態と第３実施形態とを組み合わせたものである。【００８６】
本実施形態の動作を説明する。
本装置の動作は、第２実施形態の動作、即ち、アパチャー４５に照射される電子ビーム量から電子ビームの照射量を推定する動作を基本としながら、ファラデーカップ１０８を介して測定される電子ビームの照射量の電流値を用いて、前述の図７に示すアパチャー電流とファラデーカップ電流との対応関係を更新する。【００８７】
本実施形態によれば、基板電流の測定の合間に電子ビームをファラデーカップ１０８に偏向させることにより、アパチャーを通過した電子ビームの照射量を電流計Ａ３により精度良く測定することができる。そして、この電流計Ａ３の測定値と電流計Ａ１の測定値とを用いることにより、図７に示すアパチャー電流とファラデーカップ電流との対応関係に基づく換算式をほぼリアルタイムに更新することが可能になる。従って、アパチャー電流から電子ビームの実際の照射量を高速かつ精度よく換算することが可能になり、精度の良い電子ビーム量の推定が可能となる。よって、一層精度よく電子ビーム量によって基板電流を正規化することが可能になる。【００８８】
また、本実施形態によれば、前述の第２実施形態と同様に、基板電流の測定中に起こるリアルタイムの高速電流変動がアパチャー電流の変動として電流計Ａ１により測定され、その測定値を基板電流の規格化のための値として利用することができるので、電子ビームの突発的な変動による測定値の変動を即座に対応することが可能になる。【００８９】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態では、電子ビームを用いる分析装置を例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、イオンビームを用いた装置に本発明を適用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明は、半導体デバイス又はその製造工程での分析、製造、測定又は評価などに用いられる装置、並びに半導体デバイス製造方法に有用である。例えば、ウエハーなどの半導体基板に電子ビー又はイオンビームを照射する手法を用いる分析技術、測定技術、評価技術、検査技術、および半導体デバイス製造装置および方法の分野において、本発明を利用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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