(57)【要約】【課題】試料の表面情報が高分解能のＳＥＭ観察像で得られる走査型電子顕微鏡を得る。【解決手段】試料を保持する試料ホルダ、電子線を加速させて放射する電子源、該放射された電子線を絞り込んで電子プローブを形成する電子レンズ系、該電子プローブを試料表面上で走査させる走査手段及び電子走査により試料から放出される二次電子を検出する検出器を有する走査型電子顕微鏡において、検出器と試料ホルダとの距離間隔を変化させる位置変更手段を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を保持する試料ホルダと、電子線を加速させて放射する電子源と、この電子源から射出された電子線を絞り込んで電子プローブを形成する電子レンズ系と、この電子レンズ系により形成された電子プローブを試料表面上で走査させる走査手段と、この電子走査により前記試料から放出される二次電子を検出する検出器とを有する走査型電子顕微鏡において、
前記検出器と前記試料ホルダとの距離間隔を変化させる位置変更手段を設けたことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１記載の走査型電子顕微鏡において、前記位置変更手段は、前記試料の表面情報を取得できるように前記検出器を試料ホルダから遠ざける走査型電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項１または２記載の走査型電子顕微鏡において、前記位置変更手段は、前記試料の観察対象面の深さ位置が深くなるほど前記検出器を前記試料ホルダへ近づける走査型電子顕微鏡。
【請求項４】
試料を保持する固定式の試料ホルダと、電子線を加速させて放射する電子源と、この電子源から射出された電子線を絞り込んで電子プローブを形成する電子レンズ系と、この電子レンズ系により形成された電子プローブを試料表面上で走査させる走査手段と、この電子走査により前記試料から放出される二次電子を検出する検出器とを有する走査型電子顕微鏡において、
前記検出器は、前記試料までの距離を異ならせて配置した複数の検出部と、この複数の検出部のいずれかを前記電子線の加速電圧に応じて作動させる切替部とにより形成されている走査型電子顕微鏡。
【請求項５】
試料を保持する固定式の試料ホルダと、電子線を加速させて放射する電子源と、この電子源から射出された電子線を絞り込んで電子プローブを形成する電子レンズ系と、この電子レンズ系により形成された電子プローブを試料表面上で走査させる走査手段と、この電子走査により前記試料から放出される二次電子を検出する検出器とを有する走査型電子顕微鏡において、
前記検出器は、前記試料までの距離を異ならせて配置した複数の検出部と、この複数の検出部のいずれかを前記試料の観察対象面の深さ位置に応じて作動させる切替部とにより形成されている走査型電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から半導体デバイスや薄膜の動作解析、故障解析の手段として、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；以下、「ＳＥＭ」と略す）が広く用いられている。ＳＥＭは、試料を保持する試料ホルダと、電子源（電子銃）から射出された電子線を絞り込んで電子プローブを形成する電子レンズ系と、この電子プローブを試料表面上で走査させる走査系と、電子走査により試料から放出される二次電子を検出する検出器とを備え、検出した二次電子により観察像を得る。試料の表面情報を得るには数ｖ程度の低加速電が、試料の内面情報を得るには数十ｋｖ程度の高加速電圧がそれぞれ適している。
【特許文献１】特開２００５−０３２７３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
近年では、半導体デバイス及び薄膜の更なる微細化により、試料の表面情報を高分解能（高解像度）のＳＥＭ観察像で得たいという要望が高まっている。しかしながら、表面観察に最適な数ｖ程度の低加速電圧の電子線では、試料から放出される二次電子が少なく、所望する分解能を確保することができない。ＳＥＭ観察像の分解能を高めるには電子線の加速電圧を高くすればよいが、電子線の加速電圧が高くなると、試料表面だけでなく試料内部で励起された二次電子も試料から放出されるので、得られるＳＥＭ観察像は試料の内面情報となってしまう。このため、現状では、高分解能の表面情報を得られていない。
【０００４】
本発明は、上述の従来課題に鑑みてなされたもので、試料の表面情報が高分解能のＳＥＭ観察像で得られる走査型電子顕微鏡を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、電子線の加速電圧を高めればＳＥＭ観察像の分解能が向上すること、及び、試料と検出器が試料内部で励起された二次電子を検出器に到達させず且つ試料表面で励起された二次電子のみを検出器に到達させる位置関係にあれば、試料の表面情報がＳＥＭ観察像として得られることに着目して完成されたものである。
【０００６】
すなわち、本発明は、試料を保持する試料ホルダと、電子線を加速させて放射する電子源と、この電子源から射出された電子線を絞り込んで電子プローブを形成する電子レンズ系と、この電子レンズ系により形成された電子プローブを試料表面上で走査させる走査手段と、この電子走査により試料から放出される二次電子を検出する検出器とを有する走査型電子顕微鏡において、検出器と試料ホルダとの距離間隔を変化させる位置変更手段を設けたことを特徴としている。
【０００７】
位置変更手段は、試料の表面情報が得られるように前記検出器を試料ホルダから遠ざけることが好ましい。あるいは、試料の観察対象面の深さ位置が深くなるほど検出器を試料ホルダへ近づけることが好ましい。
【０００８】
また本発明は、別の態様によれば、試料を保持する固定式の試料ホルダと、電子線を加速させて放射する電子源と、この電子源から射出された電子線を絞り込んで電子プローブを形成する電子レンズ系と、この電子レンズ系により形成された電子プローブを試料表面上で走査させる走査手段と、この電子走査により試料から放出される二次電子を検出する検出器とを有する走査型電子顕微鏡において、検出器は、試料までの距離を異ならせて配置した複数の検出部と、この複数の検出部のいずれかを電子線の加速電圧に応じて作動させる切替部とにより形成されていることを特徴としている。
【０００９】
また本発明は、さらに別の態様によれば、試料を保持する固定式の試料ホルダと、電子線を加速させて放射する電子源と、この電子源から射出された電子線を絞り込んで電子プローブを形成する電子レンズ系と、この電子レンズ系により形成された電子プローブを試料表面上で走査させる走査手段と、この電子走査により試料から放出される二次電子を検出する検出器とを有する走査型電子顕微鏡において、検出器は、試料までの距離を異ならせて配置した複数の検出部と、この複数の検出部のいずれかを試料の観察対象面の深さ位置に応じて作動させる切替部とにより形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、試料表面から放出された二次電子が選択的に検出されるように検出器が配置されるので、試料の表面情報が高分解能のＳＥＭ観察像で得られる走査型電子顕微鏡を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、本発明の第１実施形態による走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略構成を示す概略構成図である。ＳＥＭは、微細加工された半導体デバイスや薄膜等の試料Ｓを保持する試料ホルダ１０と、電子線を所定の加速電圧で加速させて放射する電子銃（電子源）１１と、この電子源１１から放射された電子線を絞って試料表面上に電子プローブＰを形成する電子レンズ系１３と、電子プローブＰを試料表面で走査させる走査系１５と、試料Ｓから放出される二次電子を検出する検出器１７と、モニタ１９とを備えている。
【００１２】
電子銃１１には、電子線の加速電圧を設定する加速電圧設定部１２が接続されており、使用者は、この加速電圧設定部１２を介して任意に加速電圧を設定可能である。電子レンズ系１３は、電子銃１１側に配置された収束レンズ群１３ａと、試料Ｓ側に配置された対物レンズ１３ｂにより構成されている。収束レンズ群１３ａは、電子銃１１から放射された電子線を細く絞り込んで数ｎｍの電子プローブＰを形成し、対物レンズ１３ｂは、電子プローブＰを試料表面上に焦点を合わせて照射する。この収束レンズ群１３ａ及び対物レンズ１３ｂには、軸対象磁界型レンズを用いている。対物レンズ１３ｂの上部には対物レンズ絞り１４が配置されている。
【００１３】
走査系１５は、収束レンズ群１３ａと対物レンズ１３ｂの間に配置した走査コイル１５ａと、この走査コイル５１に所定の大きさ及び向きの電流（Ｘ走査信号、Ｙ走査信号）を与える走査回路１５ｂにより構成されている。走査コイル１５ａは、１段または複数段の偏向コイルからなり、走査回路１５ｂからＸ走査信号、Ｙ走査信号が与えられると、該Ｘ走査信号、Ｙ走査信号にそれぞれ対応する磁場を発生させる。電子レンズ系１３で形成された電子プローブＰは、走査コイル１５ａの磁場によって偏向され、試料表面をＸ、Ｙの二方向に走査する。走査回路１５ｂはモニタ１９にも接続されている。電子プローブＰが試料表面を走査すると、試料Ｓに入射した電子の一部は試料Ｓ中の原子と衝突して該原子中の電子を励起し、この励起された電子の一部が試料Ｓ中で散乱され、試料Ｓ外へ飛び出す。試料Ｓからは、二次電子のほかに、反射電子、オージェ電子、特性Ｘ線、燐光などが放出される。また試料Ｓに入射した電子の一部は試料Ｓ中で吸収され、試料Ｓが薄ければ透過する。検出器１７は、映像増幅器１８を介してモニタ１９に接続されており、検出器１７で検出した二次電子画像が映像増幅器１８により増幅されてモニタ１９上で観察できる。モニタ１９はＣＲＴからなり、モニタ画面上のＳＥＭ観察像の相当するモニタ内の電子ビームの位置と試料表面上の電子プローブＰが位置する点とは相対関係が保たれている。
【００１４】
上記構成のＳＥＭには、さらに、検出器１７を試料ホルダ１０（及び試料Ｓ）に対して可動させる位置変更機構２０が設けられている。位置変更機構２０は、試料ホルダ１０（及び試料Ｓ）から検出器１７を遠ざけるように、すなわち、試料ホルダ１０と検出器１７の距離間隔が広がるように、検出器１７を可動させる。この検出器１７の可動は、試料ホルダ１０に対する検出器１７の傾斜角度を一定に保って、検出器１７を図示Ｘ方向に移動させることで行なっているが、逆に、検出器１７の図示Ｘ方向及び図示Ｙ方向の位置を一定に保ちつつ、試料ホルダ１０に対する検出器１７の傾斜角度を変化させてもよい。検出器１７の可動により、試料表面位置と表面情報を検出できる。
【００１５】
図２は、電子照射により、試料Ｓから二次電子が放出される様子を示す概念図である。試料表面を照射する電子線の加速電圧が大きくなると、試料Ｓに入射する電子のエネルギーが増大することから、入射電子の一部は試料内部のより深い位置まで到達でき、試料内部の原子に衝突して該電子を励起させる。よって試料Ｓから放出される二次電子には、試料表面の原子中の電子が励起して放出されたものと試料内部の原子の電子が励起して放出されたものが含まれる。このとき、図２（Ａ）に示すように検出器１７を試料表面近くに位置させれば、試料表面から放出された二次電子と試料内部から放出された二次電子の両方を検出器１７で検出でき、モニタ１９に表示されるＳＥＭ観察像は試料Ｓの内面情報となる。
【００１６】
一方、図２（Ｂ）に示すように検出器１７を、試料内部から放出された二次電子は到達せず、試料表面から放出された二次電子は到達する位置まで遠ざければ、試料表面から放出された二次電子のみを検出器１７で検出でき、モニタ１９に表示されるＳＥＭ観察像は試料Ｓの表面情報となる。試料Ｓから放出された二次電子の最大到達距離は試料表面から放出される場合よりも試料内部から放出される場合のほうが短いと推測され、試料ホルダ１０及び試料Ｓから検出器１７を上述のように離間させることで、試料表面から放出された二次電子を検出器１７で選択検出可能である。別言すれば、検出器１７の位置を変えることにより、試料表面から放出された二次電子と試料内部から放出された二次電子を選択的に検出でき、所望する深さ位置の情報をＳＥＭ観察像として得ることができる。試料内部から放出された二次電子の最大到達距離は電子線の加速電圧に応じて異なるので、該加速電圧に応じて検出器１７の位置を決定する。
【００１７】
また、試料Ｓに入射する電子のエネルギーが増大すれば、入射電子との衝突により励起される電子も増えるので、延いては検出器１７で検出される二次電子の数も増え、これによって高分解能のＳＥＭ観察像が得られる。
【００１８】
図３は、本発明の第２実施形態によるＳＥＭの概略構成を示す概略構成図である。この第２実施形態では、第１実施形態の加速電圧設定部１２に替えて、試料Ｓの観察対象面の深さを設定する深さ設定部２１を備え、設定された深さ位置が深くなるほど試料ホルダ１０（及び試料Ｓ）へ検出器１７を近づけるように、すなわち、試料ホルダ１０と検出器１７の距離間隔が縮まるように、位置変更機構２０が検出器１７を可動させる。深さ設定部２１以外の構成は第１実施形態と同一であり、図３では第１実施形態と同一の構成要素に対して同一符号を付してある。
【００１９】
電子銃１１は、３０〜３００ｋＶ程度の高い加速電圧で電子線を加速して放射する。ＳＥＭ観察者は、深さ設定部２１を介して、所望の観察対象面の深さを設定可能である。
【００２０】
試料Ｓの観察対象面が内部深くであるほど、該観察対象面の原子中から励起された二次電子が試料Ｓ外へ飛び出す距離は短くなり、その最大到達点は試料表面近くとなるので、検出器１７は試料ホルダ１０（及び試料Ｓ）近くに位置させてより多くの二次電子を検出できる状態とし、得られるＳＥＭ観察像の分解能を高める。一方、試料Ｓの観察対象面が表面側であれば、該観察対象面の原子中から励起された二次電子が試料Ｓ外へ飛び出す距離は長いので、検出器１７は試料ホルダ１０（及び試料Ｓ）から離して、観察対象面から放出された二次電子のみを検出できる状態とする。このように検出器１７を可動させれば、所望する深さ位置でのＳＥＭ観察像が高分解能で得られる。
【００２１】
上記第２実施形態では、第１実施形態の加速電圧設定部１２に替えて深さ設定部２１を備えているが、加速電圧設定部１２と深さ設定部２１の両方を備え、これらの設定に最適となるように位置変更機構２０が検出器１７を可動させる構成としてもよい。
【００２２】
図４は、本発明の第３実施形態によるＳＥＭの概略構成を示す概略構成図である。第３実施形態は、第１実施形態の位置変更機構２０を具備せず、検出器１７を、試料ホルダ１０までの距離を異ならせて配置した二つの検出部１７ａ、１７ｂと、加速電圧設定部１２で設定された加速電圧に応じて使用する検出部１７ａ、１７ｂを切り替える切替部１７ｃとにより構成している。この第３実施形態は、位置変更機構２０を具備しない点と検出器１７の構成以外は第１実施形態と同一であり、図４では第１実施形態と同一の構成要素に対して同一符号を付してある。
【００２３】
近距離側検出部１７ａは、試料表面から放出される二次電子と試料内面から放出される二次電子の両方を検出できるように、試料ホルダ１０に近づけて配置されている。遠距離側検出部１７ａは、試料表面から放出される二次電子のみを検出できるように、試料ホルダ１０から遠ざけて、すなわち、試料内部から放出される二次電子は到達せず且つ試料表面から放出される二次電子は到達する位置に配置されている。各検出部１７ａ、１７ｂは試料室内に固定されている。
【００２４】
加速電圧設定部１２で設定された加速電圧が所定レベルよりも低い場合には、試料Ｓに入射する電子のエネルギーが低いことから、試料Ｓから放出される二次電子は試料表面の原子から励起された電子であり、試料内部からは二次電子は放出されない。よって、切替部１７ｃは試料ホルダ１０により近い近距離側検出部１７ａを選択して映像増幅器１８に接続し、これによってより多くの二次電子を検出できる状態とし、得られるＳＥＭ観察像の分解能を高める。
【００２５】
一方、加速電圧設定部１２で設定された加速電圧が所定レベル以上である場合には、試料Ｓに入射する電子のエネルギーが高いことから、試料Ｓから放出される二次電子の数が増大して分解能は向上するが、その試料Ｓから放出される二次電子には試料内部から放出される二次電子も含まれる。よって、切替部１７ｃは試料ホルダ１０から遠い遠距離側検出部１７ｂを選択して映像増幅器１８に接続し、試料表面から放出された二次電子を遠距離側検出部１７ｂで選択的に検出する。
【００２６】
上記切替部１７ｃの切替動作により、電子線の加速電圧の高低にかかわらず検出器１７は試料表面の二次電子を検出でき、試料Ｓの表面情報を高分解能のＳＥＭ観察像で得ることができる。
【００２７】
図５は、本発明の第４実施形態によるＳＥＭの概略構成を示す概略構成図である。第４実施形態では、第３実施形態の加速電圧設定部１２に替えて、試料Ｓの観察対象面の深さを設定する深さ設定部２１を備え、設定された深さ位置に応じて使用する検出部１７ａ、１７ｂが切替部１７ｃにより切り替えられる。深さ設定部２１以外の構成は第３実施形態と同一であり、図５では第３実施形態と同一の構成要素に対して同一符号を付してある。
【００２８】
電子銃１１は、３０〜３００ｋＶ程度の高い加速電圧で電子線を加速して放射する。ＳＥＭ観察者は、深さ設定部２１を介して、所望の観察対象面の深さを設定可能である。
【００２９】
試料Ｓの観察対象面が内部深くであるほど、該観察対象面の原子中から励起された二次電子が試料Ｓ外へ飛び出す距離は短くなり、その最大到達点は試料表面近くとなる。よって、切替部１７ｃは、試料ホルダ１０（及び試料Ｓ）により近い近距離側検出部１７ａを選択して映像増幅器１８に接続し、これによってより多くの二次電子を検出できる状態とし、得られるＳＥＭ観察像の分解能を高める。一方、試料Ｓの観察対象面が表面側であれば、該観察対象面の原子中から励起された二次電子が試料Ｓ外へ飛び出す距離は長くなる。よって、切替部１７ｃは、試料ホルダ１０（及び試料Ｓ）から遠い遠距離側検出部１７ｂを選択して映像増幅器１８に接続し、観察対象面から放出された二次電子のみを検出できる状態とする。以上の切替部１７ｃの切替動作により、所望する深さ位置でのＳＥＭ観察像が高分解能で得られる。
【００３０】
上記第３及び第４実施形態では、二つの検出部（近距離側検出部１７ａと遠距離側検出部１７ｂ）を備えているが、備える検出部は少なくとも試料ホルダ１０に対して近い側と遠い側に配置できるよう二以上あればよく、その数は問わない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１実施形態による走査型電子顕微鏡の概略構成を示す模式断面図である。
【図２】電子線照射により試料から放出される二次電子を説明する概念図である。
【図３】本発明の第２実施形態による走査型電子顕微鏡の概略構成を示す模式断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態による走査型電子顕微鏡の概略構成を示す模式断面図である。
【図５】本発明の第４実施形態による走査型電子顕微鏡の概略構成を示す模式断面図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  試料ホルダ
１１  電子銃
１２  加速電圧設定部
１３  電子レンズ
１３ａ  収束レンズ群
１３ｂ  対物レンズ
１４  対物レンズ絞り
１５  走査系
１５ａ  走査コイル
１５ｂ  走査回路
１７  検出器
１７ａ  検出部
１７ｂ  検出部
１７ｃ  切替部
１８  映像増幅器
１９  モニタ
２０  位置変更機構
２１  深さ設定部
Ｓ  試料
Ｐ  電子プローブ
【図１】
2007128825.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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