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電子線装置 - 日本電子株式会社
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発明の名称 電子線装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−236916(P2001−236916A)
公開日 平成13年8月31日(2001.8.31)
出願番号 特願2000−44000(P2000−44000)
出願日 平成12年2月22日(2000.2.22)
代理人
発明者 工 藤 政 都 / 北 村 真 一
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 電子銃と、その電子銃からの電子線を試料上で走査させるための手段と、電子線の照射により試料から放出される2次電子のうち、ある特定のエネルギーを有する2次電子を取り出して検出するエネルギー分析器と、そのエネルギー分析器の分析エネルギーを設定するための分析エネルギー設定手段と、試料上の各電子線走査点ごとに、現在設定されている前記分析エネルギーにおける、2次電子エネルギースペクトルの2次微分量に相当する信号を出力する2次微分量出力手段と、その2次微分量出力手段の出力信号に基づいて、その2次微分量が零となるように前記エネルギー分析器の分析エネルギーをフィードバック制御によって設定するフィードバック制御手段と、そのフィードバック制御手段の出力信号に基づいて、試料の仕事関数に関する情報を表示させる表示手段を備えたことを特徴とする電子線装置。
【請求項2】 前記分析エネルギー設定手段は、前記エネルギー分析器の分析エネルギーを、ある分析エネルギーE0を基準にして所定のエネルギー幅ΔEで変化させ、前記2次微分量出力手段は、前記エネルギー分析器の出力信号と、前記エネルギー分析器の分析エネルギーを変化させる信号に基づいて、2次電子エネルギースペクトルの2次微分量に相当する信号を出力することを特徴とする請求項1記載の電子線装置。
【請求項3】 電子線を試料上で2次元的に走査し、前記フィードバック制御手段の出力信号に基づいて、試料の仕事関数に関する2次元像を表示させることを特徴とする請求項1または2記載の電子線装置。
【請求項4】 電子線を試料上でライン走査し、前記フィードバック制御手段の出力信号に基づいて、試料の仕事関数に関するラインプロファイルを表示させることを特徴とする請求項1または2記載の電子線装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】 本発明は、電子線を試料に照射し、その電子線照射により試料から放出される2次電子を検出して試料の像を表示する電子線装置に関する。
【0002】
【従来の技術】 組成がほとんど同一で微量に含まれる不純物の濃度や種類が違うもの(たとえば半導体にドーピングされた不純物の濃度に勾配や分布があるものや、pn接合部のように不純物の種類が場所によって異なっているもの)、あるいは金属の多結晶のように組成は全く同じで場所によって面方位が異なるだけのものなどに対して、通常の光学顕微鏡あるいは走査電子顕微鏡では像上でコントラストの違いがほとんど生じない。
【0003】このような試料に対して明瞭なコントラストのついた像を得るために、走査型オージェ電子分光装置を利用した技術がある。
【0004】この技術について説明すると、半導体の場合には不純物の種類や濃度によって禁制帯中のフェルミ準位の位置が違うため、それに応じて電子分光器の真空準位から見たオージェ電子のエネルギーが違ってくる。そこで、このような試料に対しては、走査型オージェ電子分光装置を利用し、不純物の種類や濃度によって異なるオージェ電子ピークのエネルギー位置を検出してこれを画像化している。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】 しかしながら、このような技術は、多結晶金属の場合のように面方位が異なるだけでオージェ電子のエネルギーに変化がないものに対しては利用できない。
【0006】また、この技術は、画像の収集に時間がかかるという実用上の欠点がある。画像収集に時間がかかるのは、オージェ電子ピークは高いバックグランドの上に乗っているため信号のSN比が悪いことと、オージェ電子ピークが比較的ブロードなためにピーク位置がシフトしていても特定のエネルギーでの電子強度にはあまり大きな違いがないことが最大の原因である。その他に、画像の輝度情報を得るために各々の画素ごとにオージェ電子のピーク位置近傍のスペクトルを収集しなければならないことと、ピークフィッティングなどのアルゴリズムを用いてピーク位置を決定するための演算が必要になることなどが挙げられる。このために、ある程度実用的な面分解能を持つ画像(画素数128×128)を一枚得るのに、少なくとも1時間程度の収集時間を必要とする。
【0007】本発明はこのような点に鑑みて成されたもので、その目的は、従来よりも短い時間で、半導体や多結晶金属などの明瞭なコントラストのついた像を得ることができる電子線装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】 この目的を達成する本発明の電子線装置は、電子銃と、その電子銃からの電子線を試料上で走査させるための手段と、電子線の照射により試料から放出される2次電子のうち、ある特定のエネルギーを有する2次電子を取り出して検出するエネルギー分析器と、そのエネルギー分析器の分析エネルギーを設定するための分析エネルギー設定手段と、試料上の各電子線走査点ごとに、現在設定されている前記分析エネルギーにおける、2次電子エネルギースペクトルの2次微分量に相当する信号を出力する2次微分量出力手段と、その2次微分量出力手段の出力信号に基づいて、その2次微分量が零となるように前記エネルギー分析器の分析エネルギーをフィードバック制御によって設定するフィードバック制御手段と、そのフィードバック制御手段の出力信号に基づいて、試料の仕事関数に関する情報を表示させる表示手段を備えたことを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】 まず、本発明の思想について述べる。
【0010】固体試料の表面に電子線を照射すると、図1に示すようなエネルギー分布を持った電子が発生する。このうちの最も低エネルギー側の大きな強度を有する部分は「真の2次電子」又は略して単に「2次電子」と呼ばれている。
【0011】図2は、図1の2次電子の最も低エネルギー側の部分を拡大したものである。ここで、2次電子が出現するエネルギーをEonsetとすると、Eonsetを越えたところから2次電子強度が急激に増加する。このEonsetは、固体試料の仕事関数Φs、2次電子を検出する電子分光器の仕事関数Φsm、およびEbによって決まり、Eonset=Eb+Φs−Φsmで与えられる。EbはEb=eVbで、eは電気素量(1.6×10-19C)、Vbは試料に印加される負のバイアス電圧の絶対値であり、また、電子分光器は真空準位(分光器最表面の電位)を基準にして調整されているものとする。なお、図2は、電子分光器の真空準位を座標原点にとって表示されている。
【0012】さて、2次電子の出現する付近の2次電子エネルギースペクトルは、たとえばp型半導体で場所によって不純物濃度が異なる場合を例に取ると、図3のようになる。図3において、Hは不純物濃度が相対的に高い部分のスペクトルを表し、Lは不純物濃度が低い部分のスペクトルを表し、Mはそれらの中間のものを表しており、2次電子の出現位置は試料の仕事関数の違いによって異なっている。いずれのスペクトルも、2次電子出現部分から急激な立ち上がりがあり、ピークを経てから2次電子強度は減少している。試料表面の凹凸が激しいなどの事情がない限り、通常の試料では、これらのスペクトルは立ち上がり部分がシフトしているだけでその形状は同じである。
【0013】本発明では、このような、試料の仕事関数の違いによって起こるスペクトルのシフトに着目し、通常の2次電子像で明瞭に現れないコントラストを得ようとするものである。
【0014】ところで、本件出願人は、電子分光器の分析エネルギーをたとえば図3中のEXに設定しておき、電子線を試料面上で走査するのに同期させながら電子分光器の検出値を輝度情報に置き換えて画像を収集していく出願(特願平10−289163)を既に行っている。
【0015】このような出願に対して本発明は、2次電子が出現するエネルギーが試料の仕事関数の違いによって変わることを利用する点では上記出願の内容と共通であるが、2次電子像を取得する実際の方式が上記出願とは異なる。
【0016】すなわち、本発明は、図3に示すように、2次電子エネルギースペクトルH,M,Lにおいて2次微分量が零になるようなエネルギー値EH,EM,ELは、スペクトルH,M,Lにおける2次電子出現エネルギー値Eonset(H),Eonset(M),Eonset(L)と比例した関係にあることを利用し、試料上で電子線を走査しながら各画素ごとに2次微分量が零となるように電子分光器の電極に印加する電圧値をフィードバック制御によって設定し、各画素ごとに得られるその電圧値を試料上の各画素ごとの仕事関数の違いとして認識し、仕事関数の違いを各画素ごとの輝度の違いとして表示したり、あるいはラインプロファイルのような形で表示したり、さらには数値として表示する。
【0017】なお、Φs≧Φsmが成り立っている場合には原理的にはVb=0でもよく、その場合にはバイアス電圧印加装置は不要となるが、通常、分光器の仕事関数は試料の仕事関数に比べてさほど小さい値ではなく、むしろ逆になる場合も考えられるから、実用的にはバイアス電圧印加装置は必須となる。また、試料にバイアス電圧を印加する代わりに、分光器全体に逆極性のバイアスを印加しても同じ結果となるが、実用的には前者の方が実現が容易な場合が多い。
【0018】以上、本発明の思想について述べたが、以下に本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【0019】図4は、本発明の電子線装置の一例を示した図である。
【0020】図4において1は鏡筒で、鏡筒1の内部には、電子銃2と集束レンズ3と偏向器4が配置されている。電子銃2から放出された電子線は、集束レンズ3で集束された後に偏向器4で偏向され、その結果、細く絞られた電子線は、試料室5内に配置された試料6上で走査される。この試料6は、組成がほとんど同一で微量に含まれる不純物の濃度が場所によって異なるものである。また、試料6は、試料ステージ7の上に載置されており、試料6には、バイアス電圧印加装置8により負のバイアス電圧が印加されるように構成されている。
【0021】前記試料室5の内部には2次電子検出器9と、試料面を清浄化するためのイオンエッチング装置10と、たとえば平行平板型エネルギーアナライザのような電子分光器(エネルギー分析器)11が配置されている。電子分光器11は、接地電極11aと、それに対向して配置された電極11bと、それらの電極間に電圧が印加されて分光された2次電子を検出する検出器11cから構成されている。この検出器11cの出力信号は、プリアンプ12で増幅された後、2次微分量出力手段であるロックインアンプ13に入力する。
【0022】14は、分析エネルギー設定手段であるオシレータであり、オシレータ14は、正弦交流信号(または矩形波信号)を発生し、この交流信号にある一定のゲインを掛けた信号をロックインアンプ13のリファレンス信号としてロックインアンプ13に入力する。
【0023】また、オシレータ14は、前記正弦交流信号に別のゲインを掛けた信号を加算回路15に入力する。この加算回路15は、高圧アンプ16を介して前記電極11bに接続されており、また加算回路15は、エラーアンプ17を介して前記ロックインアンプ13に接続されている。このエラーアンプ17と加算回路15でフィードバック制御回路が構成されている。
【0024】そして、前記エラーアンプ17は表示制御手段18に接続されており、表示制御手段18は、偏向信号発生手段19とディスプレイ20に接続されている。前記偏向信号発生手段19は偏向器4に偏向信号を供給するものである。
【0025】また、前記試料室5は、排気装置21により超高真空に排気可能に構成されている。
【0026】以上、図4の電子線装置の構成について説明したが、以下に、この装置の動作説明を行う。
【0027】このような構成において、電子分光器11を用いた2次電子像取得の際には、表示制御手段18は偏向信号発生手段19を制御し、偏向信号発生手段19は、電子線をたとえば図5に示す試料上の領域Aで2次元的に走査させるための偏向信号を偏向器4に送る。図5において、a11,a12,a13,…,a1m,a21,…,a2m,…an1,…,anmは、領域A中の微小領域であり、電子線は、その微小領域をa11,a12,a13,…,a1m,a21,…,a2m,…an1,…,anmの順に照射する。
【0028】また、オシレータ14は、正弦波交流信号にある一定のゲインを掛けた信号を加算回路15に送る。オシレータ14は、この信号を上述した電子線走査の間加算回路15に送り、また、オシレータ14は、この信号に同期した正弦波信号をロックインアンプ13のリファレンス信号としてロックインアンプ13に送る。
【0029】さて、電子線はまず前記微小領域a11を照射するが、この照射開始時点においては前記エラーアンプ17の出力は零である。このため、電子線照射開始時点においては、加算回路15は、オシレータ14から送られてくる正弦波交流信号を高圧アンプ16に送る。高圧アンプ16は、入力された正弦波交流信号を増幅して、増幅後の信号を電圧信号として電極11bに加える。
【0030】この結果、電子分光器11の電極間に印加される電圧は、正弦波的に変化し、電子分光器の分析エネルギーは、図6(a)に示すように、分析エネルギーE0を基準にしてエネルギー幅ΔEで変化する。なお、図6(b)は、前記ロックインアンプ13のリファレンス信号を示しており、このリファレンス信号は分析エネルギーの変化に同期して変化している。
【0031】このような電子分光器11の動作により、電子線照射によって微小領域a11から放出された2次電子のうち、エネルギー(E0−ΔE/2)から(E0+ΔE/2)を有する2次電子が、電子分光器の分析エネルギーに応じて検出器11cで検出される。
【0032】検出器11で検出された2次電子の強度信号は、プリアンプ12で増幅された後、ロックインアンプ13に入力する。一方、ロックインアンプ13にはオシレータ14から、図6(b)に示したような、分析エネルギーの変化に同期したリファレンス信号が送られている。そこでロックインアンプ13は、前記検出器11の出力信号と、前記電子分光器11の分析エネルギーを変化させる信号に対応する前記リファレンス信号に基づいて、現在設定されている基準分析エネルギーE0における、2次電子エネルギースペクトルの2次微分量に相当する信号d11(E0)を出力する。
【0033】この2次電子エネルギースペクトルの2次微分量に相当する信号d11(E0)について、図7を用いて詳しく説明する。
【0034】図7(a)は、前記微小領域のうちa11,a12,a13についての2次電子エネルギースペクトルを示している。図7(a)中、E11は、微小領域a11の2次電子エネルギースペクトルにおいて2次微分量が零になるエネルギー値を示しており、E12は、微小領域a12の2次電子エネルギースペクトルにおいて2次微分量が零になるエネルギー値を示しており、E13は、微小領域a13の2次電子エネルギースペクトルにおいて2次微分量が零になるエネルギー値を示している。また、図7(a)中、E0は前記基準分析エネルギーを示しており、ΔEは前記分析エネルギーのエネルギー幅を示している。
【0035】一方、図7(b)は、図7(a)に示した各微小領域a11,a12,a13の2次電子エネルギースペクトルについての2次微分波形を示しており、この2次微分波形は、図7(a)の各エネルギースペクトルに対応して示されている。図7(b)中、a11”は、微小領域a11の2次電子エネルギースペクトルについての2次微分波形を示しており、a12”は、微小領域a12の2次電子エネルギースペクトルについての2次微分波形を示しており、a13”は、微小領域a13の2次電子エネルギースペクトルについての2次微分波形を示している。
【0036】そして、図7(b)においてd11(E0)は、現在設定されている基準分析エネルギーE0における、2次電子エネルギースペクトルa11の2次微分量を表している。
【0037】以上、図7を用いて、ロックインアンプ13の2次微分出力信号d11(E0)について説明したが、この正の2次微分出力信号d11(E0)はエラーアンプ17に入力する。
【0038】エラーアンプ17のもう一方の入力には、基準電圧として0Vが入力されており、エラーアンプ17は、ロックインアンプ13の2次微分出力信号d11(E0)と0Vとの差の絶対値をとって、その絶対値が大きいほど大きな絶対値を出力する。この出力の際、エラーアンプ17は、ロックインアンプ13の2次微分出力信号の極性に応じて電子分光器11の印加電圧を制御する。すなわち、エラーアンプ17は、ロックインアンプ13の2次微分出力信号がプラスの値の時には電子分光器印加電圧の絶対値が大きくなるように(より高エネルギーの電子を分光するように)出力を行い、ロックインアンプ13の2次微分出力信号がマイナスの値の時には、それとは逆に、より低エネルギーの電子を分光するように出力を行う。
【0039】このエラーアンプ17の出力信号は加算回路15に送られ、加算回路15は、エラーアンプ17からの信号と、上述したオシレータ14からの交流信号を加算する。そして、加算回路15の出力信号は高圧アンプ16で増幅され、増幅後の信号は電圧信号として電極11bに加えられる。
【0040】このようなフィードバック制御によって、ロックインアンプ13の2次微分出力信号が零となるように電子分光器11の分析エネルギーが設定される。すなわち、電子分光器11の基準分析エネルギーは、図7におけるE0からE11に変更され、電子分光器の分析エネルギーは、分析エネルギーE11を基準にしてエネルギー幅ΔEで変化する。
【0041】前記エラーアンプ17の出力信号は微小領域a11の仕事関数に対応した電圧となっており、表示制御手段18はその電圧信号をディスプレイ20上の輝度信号に変換する。
【0042】このようにして微小領域a11についての画像信号が得られると、電子線は次に前記微小領域a12を照射する。
【0043】この電子線照射により微小領域a12から2次電子が放出されるが、現在の電子分光器の分析エネルギーは、上述したフィードバック制御によって、図7における分析エネルギーE11を基準にしてエネルギー幅ΔEで変化しているので、微小領域a12から放出された2次電子のうち、エネルギー(E11−ΔE/2)から(E11+ΔE/2)を有する2次電子が、電子分光器の分析エネルギーに応じて検出器11cで検出される。
【0044】検出器11で検出された2次電子の強度信号は、プリアンプ12で増幅された後、ロックインアンプ13に入力する。そして、ロックインアンプ13は、検出器11の出力信号と、前記オシレータ14からのリファレンス信号に基づき、現在設定されている基準分析エネルギーE11における、2次電子エネルギースペクトルa12の2次微分量に相当する信号d12(E11)(図7参照)を出力する。
【0045】この正の2次微分出力信号d12(E11)はエラーアンプ17に入力する。エラーアンプ17は、ロックインアンプ13の正の2次微分出力信号d12(E11)に基づき、より高エネルギーの電子を分光するように出力を行う。
【0046】このエラーアンプ17の出力信号は加算回路15に送られ、加算回路15は、エラーアンプ17からの信号と、オシレータ14からの交流信号を加算する。そして、加算回路15の出力信号は高圧アンプ16で増幅され、増幅後の信号は電圧信号として電極11bに加えられる。
【0047】このようなフィードバック制御によって、ロックインアンプ13の2次微分出力信号が零となるように電子分光器11の分析エネルギーが設定される。すなわち、電子分光器11の基準分析エネルギーは、図7におけるE11からE12に変更され、電子分光器の分析エネルギーは、分析エネルギーE12を基準にしてエネルギー幅ΔEで変化する。
【0048】前記エラーアンプ17の出力信号は微小領域a12の仕事関数に対応した電圧となっており、表示制御手段18はその電圧信号をディスプレイ20上の輝度信号に変換する。
【0049】このようにして微小領域a12についての画像信号が得られると、電子線は次に前記微小領域をa13を照射する。そして、微小領域a12の時と同様な動作が行われ、表示制御手段18は、エラーアンプ17の出力信号に基づき、微小領域a13の仕事関数に対応した電圧信号をディスプレイ20上の輝度信号に変換する。
【0050】なお、微小領域a13への電子線照射時には、ロックインアンプ13の2次微分出力信号は、図7に示すように負の信号d13(E12)となるので、この場合にエラーアンプ17は、より低エネルギーの電子を分光するように出力を行う。
【0051】以後、同様にして微小領域a14,…,a1m,a21,…,a2m,…an1,…,anmの画像信号が得られ、表示制御手段18はそれらの画像信号に基づき、試料の領域Aの2次電子像をディスプレイ20に表示させる。
【0052】以上のようにして、組成が殆ど同一で微量に含まれる不純物の濃度に違いがある試料の場合でも、濃度の違いを反映した明瞭なコントラストの2次電子像を短時間で得ることができる。
【0053】また、不純物の種類が違うものや、組成は全く同じで場所によって面方位が異なる試料などに対して本発明を適用しても、不純物の種類の違いや面方位の違いを反映した明瞭なコントラストの像を得ることができる。
【0054】また、電子線を試料上で特定のラインに沿って1ライン走査し、上述したフィードバック制御の結果から、試料の仕事関数に関するラインプロファイルを表示したり、試料の仕事関数に関する情報を数値として表示しても良い。
【0055】また、試料がICの場合、イオンエッチング装置10によりICの断面をその場で作成すれば、pn接合部分の観察も可能となり、欠陥の有無の確認が容易となる。




 

 


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