(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子源からの電子を被観察体の観察面に照射する照射光学系と、観察面から発生する結像電子を撮像面へと写像する電子結像光学系と、前記照明光学系と前記電子結像光学系の光路を結合・一致するウィーンフィルターとを有し、
前記照明光学系は、電子源を有し、前記観察面に垂直な光軸と第１の角度θ１をなして設けられた第１の鏡筒と、電子源を有し、前記光軸と第２の角度θ２をなして設けられた第２の鏡筒とを備え、前記第1の鏡筒および第２の鏡筒の電子源は電流量と入射エネルギーを独立に制御できるように構成され、
前記第１の角度θ１と前記第２の角度θ２は、前記第１の鏡筒から前記ウィーンフィルターに入る電子のエネルギーV１０、前記第２の鏡筒から前記ウィーンフィルターに入る電子のエネルギーV２０、およびリターディング電圧Vretを変数とする式
【数１】
0004066078.tif 000003
を満たすように限定され、
前記第１の鏡筒及び第２の鏡筒の電子源は前記ウィーンフィルターの中心に向けて同時に電子を照射し、前記ウィーンフィルターは前記第１及び前記第２の鏡筒からの電子線を被観察体に対して垂直入射させ、被観察体の複数の所定部におけるチャージアップによる表面電位の変化を、それぞれの所定値にするような機能を有することを特徴とする写像型電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子光学系を利用して、被観察面を２次元的に観察することが可能な写像型電子顕微鏡に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体欠陥検査において、コンタクト不良などの電気的な観察を行うにはＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いるのが一般的である。ＳＥＭにおいては、周知のように、被観察面において点状となるような電子ビームを照射し、被照射面から放出される二次電子を加速して取り出し、検出器で受けることにより二次電子の量を検出する。そして、電子ビームを２次元的に走査することにより照射点を変え、被観察面全体からの二次電子の量を、画像として組立てることにより、被観察面の観察を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＳＥＭにおいては、被観察面の２次元的な走査が必要である関係上、被観察面全体の像を得るまでに時間がかかるという問題点がある。一方、半導体の欠陥検査においては、高速性が要求されるので、ＳＥＭに代わり、電子光学系を利用して被観察面を２次元的に観察することが可能な写像型電子顕微鏡の使用が試みられていた。しかしながら、写像型電子顕微鏡においては、さまざまな技術的な課題が未解決のまま残されており、このため、ＳＥＭの代用として使用することは困難とされてきた。
【０００４】
その代表的な技術的課題として、被観察面のチャージアップの問題がある。チャージアップとは、絶縁体や浮遊導体などが存在する試料において、照明として入射する電子が有する電荷と二次電子として放出される電子が有する電荷が同じでないと、照明される部分が正又は負に帯電してしまう現象である。チャージアップは、絶縁体や浮遊導体などが存在する試料においては避けられない現象であり、これが発生すると、被観察面を等電位にできないばかりか、局所的な帯電により視野内で電位が大きく異なる状況が生じてしまう。
【０００５】
一方、写像型電子顕微鏡は、特に二次電子等の低エネルギー電子を加速し静電レンズで高倍率に拡大投影する場合、デフォーカス（軸上色収差）のため結像できるエネルギー幅が狭く、視野全体でのエネルギー均一性に敏感である。よって、試料表面上の電位分布が大きく異なると、その近傍で像が歪んだり、結像できなかったりして、まともな観察ができなくなってしまうという問題点がある。
これに加え、試料が帯電しすぎると放電や絶縁破壊を起こし試料そのものを損傷させることもある。
【０００６】
チャージアップの発生は、二次電子発生効率によって決定される。二次電子発生効率とは、発生する二次電子が有する電荷の量を、照明として入射する粒子が有する電荷の量で割ったもので、二次電子発生効率が１より大きい場合は、試料は正に帯電し、二次電子発生効率が１より小さい場合は、試料は負に帯電する。よって、絶縁体や浮遊導体に対しては、極力二次電子の発生効率が１に近くなるよう照明すれば前記のような問題点を回避することができる。
【０００７】
しかし、半導体のような試料上には、二次電子発生効率の異なる複数種の絶縁体や浮遊導体が混在する場合が多いので、これらを全てチャージアップさせずに観察するのが非常に困難であった。また、電位コントラスト像など、わざとある程度チャージアップさせないと観察できない像もあり、このような場合には、チャージアップの程度を制御するのが困難であった。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、試料中の絶縁体や浮遊導体に対し、そのチャージアップ量を、像観察に必要な最低量と、試料自身を損傷させることなく、かつ、歪みの少ない観察画像を得られる最大量の間になるように制御可能な写像型電子顕微鏡を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、電子源からの電子を被観察体の観察面に照射する照射光学系と、観察面から発生する結像電子を撮像面へと写像する電子結像光学系と、前記照明光学系と前記電子結像光学系の光路を結合・一致するウィーンフィルターとを有し、
前記照明光学系は、電子源を有し、前記観察面に垂直な光軸と第１の角度θ１をなして設けられた第１の鏡筒と、電子源を有し、前記光軸と第２の角度θ２をなして設けられた第２の鏡筒とを備え、前記第1の鏡筒および第２の鏡筒の電子源は電流量と入射エネルギーを独立に制御できるように構成され、
前記第１の角度θ１と前記第２の角度θ２は、前記第１の鏡筒から前記ウィーンフィルターに入る電子のエネルギーV１０、前記第２の鏡筒から前記ウィーンフィルターに入る電子のエネルギーV２０、およびリターディング電圧Vretを変数とする式
【数１】
0004066078.tif 000002
を満たすように限定され、
前記第１の鏡筒及び第２の鏡筒の電子源は前記ウィーンフィルターの中心に向けて同時に電子を照射し、前記ウィーンフィルターは前記第１及び前記第２の鏡筒からの電子線を被観察体に対して垂直入射させ、被観察体の複数の所定部におけるチャージアップによる表面電位の変化を、それぞれの所定値にするような機能を有することを特徴とする写像型電子顕微鏡（請求項１）である。
【００１０】
本手段においては、照明光学系が、被観察体の複数の所定部におけるチャージアップによる表面電位の変化を、それぞれの所定値にするような機能を有するので、各絶縁体や浮遊導体に対して、チャージアップによる表面電位の変化（Ｕs）を、像観察に必要な最低量（Ｕmin）と、試料自身を損傷させることなく、かつ、歪みの少ない観察画像を得られる最大量（Ｕmax）の間になるように制御することができ、明瞭で歪みの無い像が観察できる。
【００１１】
本手段において、視野内を均一な照明条件で照明することが好ましい。これにより、部分的なチャージアップや、視野内での照明むらに基づく像の明暗がなくなり、明確な像を観察できる。
ウィーンフィルターを使用することにより、照明を垂直照明にすることができ、斜め照明の場合に比して均一な照明としやすい。特にウィーンフィルターの後に絞りを置き、カソードレンズの焦点を絞り位置に合わせることによりケーラー照明条件を作ることができ、このようにすれば、均一な照明を容易に得ることができる。
【００１２】
なお、本明細書中において「結像電子」とは、電子の照射に伴い被観察体あるいは観察面から放出される反射電子、二次電子、後方散乱電子等の電子をいう。
【００１３】
前記課題を解決するための第２の手段は、電子源からの電子を被観察体の観察面に照射する照明光学系と、観察面から発生する結像電子を撮像面へと写像する電子結像光学系とを有し、照明光学系は電子源を複数有し、複数の電子源からの照明により被観察体を同時に照明でき、各電子源からの電流量と入射エネルギーを独立に制御可能なものであることを特徴とする写像型電子顕微鏡である。
【００１４】
前述のように、試料面におけるチャージアップによる表面電位の変化（Ｕs）を、像観察に必要な最低量（Ｕmin）と、試料自身を損傷させることなく、かつ、歪みの少ない観察画像を得られる最大量（Ｕmax）の間になるように制御することができれば、すなわち
Ｕmin＜Ｕs＜Ｕmax  …（１）
を満たせば、絶縁体試料を良好なる結像状態で観察することができる。
【００１５】
一般的に試料表面から放出される二次電子の発生効率は照明電子のエネルギー、試料の材質、構造、置かれている環境などに依存し、半導体プロセスで使用される材質の殆どでは、入射電子100ｅＶ〜１ｋｅＶ程度の領域で二次電子発生効率が１を越え、それ以外の領域で１を下回る。そのため浮遊導体や絶縁体に長時間照射を行うとチャージアップして電位が変ってしまう。試料上の浮遊導体や絶縁体が一種類、しかも均一な材質であれば、その材質に対して二次電子発生効率が１になるエネルギーで照明すればいいが、半導体のように多種の材質で構成されているものでは、構成する材質毎に二次電子発生効率が１になるエネルギーが異なるので、一種類の照明では、全ての材質についてこのような条件を満たすことができない。
【００１６】
たとえば、具体的な絶縁体の観察試料として図１のような断面構造を有する試料について考える。図１で１はシリコン基板で導体、２、３は別種の絶縁体Ａ及びＢであり、これらは照明系によって同一照野内の像として結像される。試料表面はＣＭＰ等のプロセスで平坦化されているために、光学顕微鏡観察では勿論のこと、通常のエッジ強調型のＳＥＭ観察でも像コントラストが低く、良好な観察像を得ることができない。
【００１７】
この試料をランディングエネルギー（入射エネルギー）がＶ１の電子４で照明すると、チャージアップが起こりランディングエネルギーがシフトする。リーク電流が無い限り、そのシフト量は、絶縁体Ａ及びＢの二次電子発生効率を表す図２におけるａ、ｂまで達し、そこで平衡状態となる。その結果チャージアップ電位はそれぞれＵs/A（＝ａ−Ｖ１）及びＵs/B（＝ｂ−Ｖ１）だけ上昇する。
【００１８】
これらＵs/A、Ｕs/Bが、それぞれ、
Ｕmin＜Ｕs/A＜Ｕmax  …（２）
Ｕmin＜Ｕs/B＜Ｕmax  …（３）
なる２つの不等式を同時に満足すればよいが、図２でＶ１の位置を変えても一般には達成できない場合が多い。
【００１９】
そこで、図３に示すように、この試料を、ランディングエネルギーがＶ１の電子４に加え、ランディングエネルギーがＶ２の電子５でも照明する。ここで、Ｖ１及びＶ２は、図４に示すように、絶縁体Ａ及びＢの平衡点ａ及びｂの両側に位置するように選ぶ。
【００２０】
２つの異なるエネルギーを持つ電子で照明されたそれぞれの絶縁体Ａ及びＢのチャージアップ電位を求めるには次のようにする。照射電子のエネルギーＶに対する絶縁体Ａ及びＢの二次電子発生効率曲線をそれぞれＦＡ（Ｖ）及びＦＢ（Ｖ）とする。又、試料面上のランディングエネルギーＶ１及びＶ２の照射電子密度をそれぞれＩ１及びＩ２とする。これら２つのエネルギー照射により、各絶縁体表面から放出される二次電子量はそれぞれ、
I1*FA(V1)+I2*FA(V2)  …（４）
及び
I1*FB(V1)+I2*FB(V2)  …（５）
である。
【００２１】
一般に式（４）及び（５）の値は、照明電子量
I1+I2  …（６）
と同じではない。その結果、チャージアップが起こり、それぞれの絶縁体でＵs/A及びＵs/Bだけ表面電位の変化が生じた後に、平衡状態
I1+I2 = I1*FA(V1+Us/A)+I2*FA(V2+Us/A)  …（７）
及び
I1+I2 = I1*FB(V1+Us/B)+I2*FB(V2+Us/B)  …（８）
に達する。
【００２２】
さらに式（７）及び（８）は、
I1/(I1+I2)＝α  …（９）
と置いて、
1 = α*FA(V1+Us/A)+(1-α)*FA(V2+Us/A)  …（１０）
及び
1 = α*FB(V1+Us/B)+(1-α)*FB(V2+Us/B)  …（１１）
と書ける。
【００２３】
Ｕs/A及びＵs/Bを不等式（２）及び（３）を満たす特定の値に決め、Ｖ１、Ｖ２及び照射総電流密度に対するＩ１の比αの内の１つを規定値とし、式（１０）及び（１１）が同時に成立するように残り２つを求めて設定すれば、絶縁体試料を良好なる結像状態で観察することができる。その上で、照射総電流密度を変えて、最も好ましい照射条件で照明を行うことができる。
【００２４】
なお、以上より明らかなように、式（１０）、（１１）中のＶ１、Ｖ２及び照射総電流密度に対する比αのすべてを変数として求めれば、３種の絶縁体にまで対応できる。さらに照射電子エネルギーを１種増す毎に、新たなＶとＩの２つの変数が増すので対応できる絶縁体は２種づつ増えていく。
【００２５】
以上説明したように、本手段においては、照明光学系は、複数の電子源からの照明により被観察体を同時に照明でき、各電子源からの電流量と入射エネルギーを独立にコントロールできものであるので、各絶縁体又は浮遊導体のチャージアップによる表面電位の変化を、それぞれ目標値にするように電流量と入射エネルギーを定めることができる。よって、各絶縁体又は浮遊導体のチャージアップによる表面電位の変化（Ｕs）を、像観察に必要な最低量（Ｕmin）と、試料自身を損傷させることなく、かつ、歪みの少ない観察画像を得られる最大量（Ｕmax）の間になるように制御することができ、明瞭で歪みの無い像が観察できる。
【００２６】
なお、本手段においても、視野内を均一な照明条件で照明することが好ましい。これにより、部分的なチャージアップや、視野内での照明むらに基づく像の明暗がなくなり、明確な像を観察できる。
【００２７】
前記課題を解決するための第３の手段は、電子源からの電子を被観察体の観察面に照射する照明光学系と、観察面から発生する結像電子を撮像面へと写像する電子結像光学系とを有し、照明光学系は、少なくとも一つの電子源からの電流量と入射エネルギーとを、時分割的に制御可能なものであることを特徴とする写像型電子顕微鏡である。
【００２８】
前記第２の手段においては、複数の照明光源を設けることにより、各絶縁体又は浮遊導体のチャージアップによる表面電位の変化を、それぞれ目標値にしている。これに対し、本手段においては、少なくとも一つの電子源からの電流量と入射エネルギーとを時分割的に切り換えて照明し、あたかも電流量と入射エネルギーが異なる複数の電子源があるかのような効果を持たせる。チャージアップにおていは、時間的、空間的な重ね合わせが成り立つので、このようにしても、前記第２の手段と同様の作用を奏することができる。
【００２９】
この場合、二次電子を受光して電気信号に変える検出器には、二次電子−光変換器とＣＣＤ等の光電変換器を組合せて使用し、時分割的に切り換えて照射される照明の１周期分の電荷をＣＣＤに蓄えた上で取り出すことにより、全ての異なる照明光に対する出力を加え合わせたものを出力とすることができ、前記第２の手段と同様の結果を得ることができる。
【００３０】
なお、本手段においても、視野内を均一な照明条件で照明することが好ましい。これにより、部分的なチャージアップや、視野内での照明むらに基づく像の明暗がなくなり、明確な像を観察できる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を図を用いて説明する。図５は本発明の第１の実施の形態を示す概要図である。図５において、１１、１２は照明鏡筒、１３はウィーンフィルター、１４はカソードレンズ、１５は試料面、１６は結像電子光学系、１７は検出面（結像面）である。なお、以下の図において、同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３４】
照明鏡筒１１、１２は、電子源からの電子線を加速し、所定断面積を持ったビーム状とするもので、照明鏡筒１１は光軸とθ１の角度、照明鏡筒１２は光軸とθ２の角度をなして設けられ、ウィーンフィルター１３の中心に向けて電子ビームを放出している。これらの電子ビームは、ウィーンフィルター１３によって偏向され、ウィーンフィルター１３を出た２つの電子ビームは、試料面１５に垂直な光軸上を進むようになっている。電子ビームは、その後カソードレンズ１４を介して、リターディング電圧により減速され、試料面１５の所定範囲を垂直に落射照明する。
【００３５】
なお、図示しないが、ウィーンフィルター１３とカソードレンズ１４との間に絞りを置き、この絞りの位置をカソードレンズ１４の焦点に位置されることによって、試料面１５をケーラー照明することができる。
【００３６】
照明鏡筒１１、１２からウィーンフィルター１３に入るビームのエネルギーをそれぞれＶ10、Ｖ20とし、それらのランディングエネルギーをＶ１、Ｖ２、リターディング電圧をＶret（試料面を基準にして正負を決定し、通常は正の値）とすると、
V10 = V1+Vret  …（１２）
V20 = V2+Vret  …（１３）
となる。
【００３７】
照明鏡筒１１、１２からの電子線のランディングエネルギーＶ１、Ｖ２及び、その電流量をＩ１、Ｉ２とするとき、Ｖ１、Ｖ２、及びα＝I1/(I1+I2)は、（１０）式、（１１）式を満たすようにされている。
【００３８】
また、それぞれの照明系の偏向角θ１、θ２は、ウィーンフィルター１３の実効厚さをＬ、リターディング電圧Ｖretで加速された二次電子に対するウィーン条件を満たす磁場Ｂとの間で、
L = (sinθ1/eB)*(2m)1/2*V10/{(V10)1/2+(Vret)1/2}  …（１４）
L = (sinθ2/eB)*(2m)1/2*V20/{(V20)1/2+(Vret)1/2}  …（１５）
を同時に満たす様に配置する。ランディングエネルギーが決まっている場合にはそれぞれの偏向角度の関係は、
sinθ1/sinθ2 = V20*{(V10)1/2+(Vret)1/2}/[V10*{(V20)1/2+(Vret)1/2}]  …（１６）
を満たせば、任意に選択位置できる。偏向角が決まっていれば、ランディングエネルギーは、式（１６）を満たすことを条件として任意に選択できる。それぞれの照射電流密度は、電子銃及び照明系のパラメーターを変えることにより任意に変更可能である。
【００３９】
図６は、本発明の第２の実施の形態を示す概要図である。図６において、１８は第２のウィーンフィルターである。この実施の形態においては、照明鏡筒１１からの照明電子と、照明鏡筒１２からの照明電子は、それぞれ別々のウィーンフィルター１３、１８を通過する。従って、式（１４）及び（１５）の磁場Ｂはそれぞれ独立となり、各照明系の電子エネルギーを完全独立に変えることができる。それぞれの照射電流密度は電子銃及び照明系のパラメーターを変えることにより任意に変更可能である。
【００４０】
図７は、本発明の第３の実施の形態を示す概要図である。この実施の形態においては、照明鏡筒１１からの照明電子と、照明鏡筒１２からの照明電子は、結像系の光軸の外側より、斜めに照射される。よって、各照明系の電子エネルギーを完全独立に変えることができる。それぞれの照射電流密度は電子銃及び照明系のパラメーターを変えることにより任意に変更可能である。しかしその反面、図５、図６に示したような垂直照明系に比して、視野全体を均一に照明することが困難となる。
【００４１】
以上の実施の形態においては、照明鏡筒を２個としているが、照明鏡筒をさらに増やすことにより、試料面１５に多数の絶縁体がある場合に、各々の絶縁体において適正なチャージアップによる表面電位の変化を与えることができる。
【００４２】
また、図示しないが、照明鏡筒を１個とし、時分割により電流量と入射エネルギーを変化させることにより、あたかも複数の照明鏡筒から並列に照射を受けているのと同じ効果を持たせることができる。これは、チャージアップが、時間的、空間的に重ね合わせが成り立つ現象であるからである。
【００４３】
なお、以上の実施の形態の説明を始めとして本明細書中においては、被観察体の照明手段として電子線を用いたが、他の荷電粒子線を用い、荷電粒子線により発生する結像電子を用いてもよく、このようなものは本願発明と均等なものであることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】絶縁体の観察試料の断面構造の例を示す図である。
【図２】ランディングエネルギーと二次電子発生効率の関係を示す図である。
【図３】絶縁体の観察試料の断面構造の例を示す図である。
【図４】ランディングエネルギーと二次電子発生効率の関係を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態を示す概要図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態を示す概要図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態を示す概要図である。
【符号の説明】
１…シリコン基板
２、３…絶縁体
４、５…照明電子
１１、１２…照明鏡筒
１３…ウィーンフィルター
１４…カソードレンズ
１５…試料面
１６…結像電子光学系
１７…検出面（結像面）
１８…ウィーンフィルター
【図１】
0004066078.tif 000004
【図２】
0004066078.tif 000005
【図３】
0004066078.tif 000006
【図４】
0004066078.tif 000007
【図５】
0004066078.tif 000008
【図６】
0004066078.tif 000009
【図７】
0004066078.tif 000010