JP7313499B2 - 走査型電子顕微鏡および走査型電子顕微鏡の２次電子検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、帯電防止に利用する低真空状態において起こる画像ＳＮＲの劣化を防止し、より高いＳＮＲの画像取得を可能とする走査型電子顕微鏡および走査型電子顕微鏡の２次電子検出方法に関する。

電子顕微鏡は半導体デバイス等をｎｍオーダーの分解能で観察し測定するために広く半導体デバイス製造現場で使用されている。半導体デバイス製造現場では、主に、シリコン基板、フォトマスクを構成する石英などの表面に金属パターンを設けたサンプルを観察する。これらのパターンは通常絶縁体上に設けられているため、電子ビームを照射すると容易に帯電し、正しい観察や測定を行うことが困難となる
ここでサンプルの帯電は以下のようにして起こる。

電子ビームは負の荷電粒子である電子の流れであり、サンプル表面に到達すると散乱し、２次電子を発生する。１個の１次電子から発生する２次電子の量はサンプルや１次電子ビームのエネルギーによって変化し、０から１０位の範囲で変化する。

そのため、照射に用いた１次電子の量と発生する２次電子の量が釣り合わない場合には、サンプル表面が正負いずれかの状態に帯電する。絶縁体表面で帯電は起こるため、かなりの長い間その状態が保たれる。

帯電すると、その周辺には大きな電位勾配が発生するため、１次電子ビームの軌道や着地エネルギーに変化を与えるため、歪んだ画像が得られる。

帯電は、発生した２次電子の軌道にも影響を与えるため、最悪の場合、画像は真っ白や真っ黒になってしまい、何も見えなくなってしまうことがある。

従来、絶縁体上のパターンを観察するために、観察箇所の電位を測定してその近傍に配置した電極に電位を加えて測定対象の電位を一定に保つ技術や高速で走査して電子が蓄積するのを防止する技術など種々の帯電防止技術が使用されてきた。

その中でも特に、低真空状態で電子ビームとの相互作用によって生じるプラスおよびマイナスのイオンガスを用いた帯電防止技術がフォトマスク等部分的に絶縁されているパターンや島状に孤立して存在するパターンの観察には他の方式と比較して優れていることが判明している。

イオンガスを発生させるためには電子ビームとの相互作用（電子ビームとガスの衝突）が必要で、その分だけ１次電子ビーム量が減少し、ビームスポットサイズが大きくなるため、画像ＳＮＲおよび分解能劣化が起こる。

更に、試料表面で発生した２次電子が電子検出器に至る途中でイオンガスと相互作用することで、消失してしまい電子検出装置に到達しないので検出できない等の問題があった。

更に、イオン化するガスを真空チャンバー内に導入すればするほど、帯電防止効果は向上しても取得できる画像のＳＮＲが劣化する問題があるため、むやみに多くのガスを導入できない問題があった。

また、試料の表面で発生した２次電子あるいは反射電子が真空チャンバー中に存在するイオンガスと相互作用することで軌道が変化し、四方に散乱されて電子検出器に届かないため２次電子の検出効率が低下し、例えば３０Ｐａ以下の低真空では画像ＳＮＲが低くなりすぎ実用的で無いという問題もあった。

ＳＮＲが低下すると必要なＳＮＲを持つ画像を取得する時間が長くなるあるいは取得できなくなる等の不具合が生じるという問題があった。

従来、低真空中で試料にバイアス電圧を加えると放電すると考えられており、現在の装置では、低真空状態ではバイアスが掛からないようにインターロックが掛かっていた。

本発明は、従来とは全く逆に、低真空中のサンプル（試料）の表面で生じた２次電子に対して放電しない範囲の加速電圧を印加し、サンプルの表面に対して垂直方向に加速して従来の四方八方に散乱していた２次電子を２次電子検出器の検出範囲内に走行させて検出可能とし、従来の散乱して検出できなかった２次電子も補集して検出し、画像のＳＮＲを向上させるようにした。

また、別途設けたイオン発生装置を用いて、従来のチャンバー真空度では発生できない多量のイオンを発生してサンプルに向けて放出し、真空チャンバーの真空度を高く保ったまま、十分な帯電防止効果を保持した状態で画像ＳＮＲを向上させるようにしている。

そのため、本発明は、電子ビームを細く絞ってサンプルに照射しつつ平面走査し、放出された２次電子を検出する２次電子検出器を設けた走査型電子顕微鏡において、電子ビームを細く絞る対物レンズと試料室内に移動可能に保持されたサンプルとの間に電子ビームが通過し、かつ気体がほとんど通過されない小さなアパチャーと、サンプルを収納した試料室の圧力を所定圧力に保持する所定圧力保持手段と、サンプルとアパチャーとの間に所定バイアス電圧を印加するサンプル電圧印加装置とを設け、サンプル電圧印加装置がサンプルから放出された２次電子をアパチャーに向けて加速する電圧をアパチャーに印加して、サンプルから放出された２次電子を該アパチャーの小さな穴を通過させるように偏向し、通過した２次電子を２次電子検出器で検出して２次電子検出割合を増大させるようにしている。

この際、試料室の圧力を所定圧力に保持する該所定圧力を、細く絞った電子ビームが試料室内の気体に衝突してイオン化し、サンプルの表面に電子ビームの照射によって生じた負電荷を中和するに十分なイオン量が得られる圧力とするようにしている。

また、試料室の圧力を所定圧力に保持する該所定圧力を、試料室に接続したイオン発生装置からのイオンを導入し、サンプルの表面に電子ビームの照射によって生じた負電荷を中和するに十分なイオン量が得られる圧力とするようにしている。

また、イオン発生装置から測定点へのイオンの導入を制御するために、パルス状の制御電圧を印加して平均イオン流を調整するようにしている。

また、所定のバイアス電圧は、放電が起こらない４００Ｖ以下とするようにしている。

本発明は、低真空中のサンプルの表面で生じた２次電子に対して放電しない範囲の加速電圧を印加し、サンプルの表面に対して垂直方向に加速して従来の四方八方に散乱していた２次電子を２次電子検出器の検出範囲内に走行させて検出可能とし、従来の散乱して検出できなかった２次電子も補集して検出し、画像のＳＮＲを向上させることが可能となる。

また、イオン発生装置を用いて、従来のチャンバー真空度では発生できない多量のイオンを発生してサンプルに向けて放出し、真空チャンバーの真空度を高く保ったまま、十分な帯電防止効果を保持した状態で画像ＳＮＲを向上させることが可能となる。ＳＮＲの向上を通じて、測定精度および検査速度のスループット向上ができる。同じＳＮＲの画像を得るために照射電流値を下げることができるので、サンプルへのダメージを減らせる。アパチャーに２次電子が衝突するのを防止できるため、アパチャーの帯電を防止可能で、電子ビーム照射軸の安定化が得られる。

図１は、本発明の１実施例構成図を示す。この図１は、本発明の低真空を利用した電子顕微鏡の基本構成を示す。装置全体はＰＣ（パソコン）２３のディスプレイ２４を見ながらキーボード等の入力デバイスからの指令で動作するように自動化されている。デバイス間通信はＴＣＰＩＰやＵＳＢあるいはその他のシリアル通信手段等を用いて行われる。測定条件および結果等は図示外のデータベースに収められており、最適な測定条件を瞬時に読み出して設定し、その測定結果をディスプレイ２４上に表示して見ることが出来る。

図１において、電子銃１は、電子ビームを発生するためのものであって、タングステン結晶の先端部にＺｒＯ等を盛ったショトキーエミッターおよびエミッターに強力な電界を加えるためのエクストラクター等の電極あるいは不要な電子を押し込めるためのサプレッサー電極などからなるものである。電子銃１の近傍はショトキー型電子エミッターを安定に動作させるため１０のマイナス７乗よりも高い真空度に保たれている。

差動構成された２つのイオンポンプにて、電子銃１の部分とそれ以外の部分とを分け、電子銃１の部分を高い真空度を維持している。

コンデンサレンズ２は、電子銃１から放出された電子を集め適切な電子密度にするものである。

ブランキング電極３は、必要な時だけ電子ビームがサンプル１１に照射されるようにするための高電圧を印加する電極である。

ブランキングアパチャー４は、ブランキング電極３で電子ビームが偏向されたときに遮断するためのものである。

対物アパチャー５は、対物レンズ８が電子ビームを細く絞ってサンプル１１に照射するときの開き角度（実質的には電子ビームのビーム径を決めるのに用いる）を調整するアパチャーである。

電子検出器６は、電子ビームを細く絞ってサンプル１１に照射しつつ平面走査し時に放出される２次電子、反射電子を検出するものであって、ＭＣＰやシンチレータ、ＡＰＤなどの半導体デバイスなどである。

偏向電極７は、細く絞られた電子ビームを、サンプル１１上で平面走査するものであって、通常２段偏向系（Ｘ軸、Ｙ軸）である。

対物レンズ８は、電子ビームを細く絞ってサンプル１１に照射するものである。ここでは、対物レンズ８の下部に図示の差動排気アパチャーＡ１、その直ぐ上に差動排気アパチャーＡ２の２段を設けている。

差動排気アパチャー９は、鏡筒と真空チャンバー１０との間に設けて0小さな穴を開けたアパチャーであって、２段の差動排気を行うためのものである。ここでは、最下段の差動排気アパチャーＡ１と、サンプル１１との間に加速電圧を印加し、サンプル１１に細く絞った電子ビームを照射したときに放出された２次電子を上方向に加速し、該差動排気アパチャーＡ１の小さな穴内を通過するように偏向するものである（図２を用いて後述する）。

ここでは、真空チャンバー１０の低真空を遮り、電子ビームを発生させる電子銃１の超高真空に影響しないようにするための複数段（図１では２段）の差動排気アパチャー９として、数百ミクロンの穴が開いた非磁性金属箔あるいは削り出し部材からなり、複数段あるアパチャーの間をターボポンプ等の真空ポンプで真空引きし、真空チャンバー１０の低真空が高真空を必要とする電子銃１に伝わらないようにしている。通常、１つのアパチャーで３ケタ程度の圧力差を作ることが出来る。

真空チャンバー１０は、サンプル１１などを収納する真空の容器であって、ここではＴＭＰ（ターボ分子ポンプ）１４、図示外の荒引きするためのドライポンプなどで真空排気するものである。

サンプル１１は、ウェハー、フォトマスクなどの試料である。

ＸＹステージ１２は、サンプル１１を搭載してＸ，Ｙ方向に移動させるものである。移動は、図示外のレーザー干渉計と連動し、精密に移動させている。

ホルダー１２１は、サンプル１１をＸＹステージ１２に固定するものであって、ここでは、サンプル１１とＸＹステージ１２との間を電気的に絶縁し、サンプル１１に加速電圧を印加できるようにしたものである。ホルダー１２１はＸＹステージ１２を移動した際に,常にサンプル１１の表面に均一に電場を形成するような形状とすることが望ましい。特に周辺部では電界の歪が起こりやすいのでそれを回避した構造が望ましい。

高圧電源２１は、電子銃１に供給する高電圧を発生するものである。

電子ビーム制御回路２２は、電子銃１から電子ビームを放出させ、コンデンサレンズ２で集束し、対物レンズ８で細く絞ってサンプル１１に照射し、この照射した状態で偏向電極７で平面走査するなどの各種電圧を供給および制御を行うものである。

ＰＣ２３は、パソコンであって、プログラムにより各種制御を行うものである。

ディスプレイ２４は、各種指示画面、画像などを表示するものである。

ガス２５は、イオン化するガス（例えばＮ２，Ｏ２など）である。

真空制御装置２６は、真空チャンバー１０、電子銃１などの真空排気制御するものである。

マスフロー２７は、ガス２５を所定圧力に減圧して所定流量に制御し、真空チャンバー１０に流入させるものである。

圧力センサ２８は、真空チャンバー１０の圧力を計測するものである。

ステージ制御装置２９は、ＸＹステージ１２を指定された位置に精密に移動制御するものである。移動は、図示外のレーザー干渉計をもとに精密制御している。

次に、図１の構成の動作を詳細に説明する。

（１）従来は、低真空中でバイアス電圧をサンプル１１に加えると放電が起こると考えられていたため、バイアス電圧を印加することは避けられてきた。しかしながら、本発明者が実験を行ったところ、従来常識とは全く異なり、４００Ｖよりも低い電圧では放電しないことが判明した（後述する図５参照）。

（２）この判明に基づきサンプル１１の表面で発生した２次電子あるいは反射電子にサンプル１１に対して垂直方向に加速が生じるようにバイアス電圧あるいはポテンシャル差を与えるための、サンプル電圧印加装置１３などを新たに設けた。

また、真空チャンバー１０の真空度は０．１から１００Ｐａ程度の範囲が好適であり、マスフローコントローラ２７で酸素あるいは窒素ガスを真空チャンバー１０に導入して実現する。用いる１次電子ビームのエネルギーは測定対象や目的により変更し、０から１５ＫＶ程度の範囲である。電流は数ｐＡから数１００ｎＡ程度の範囲である。

サンプル１１に対する電圧印加はサンプル１１を保持しているホルダー１２１と差動排気アパチャー９との間に必要な電圧を加えることで行われる。サンプルホルダー１２１は金属製でサンプル１１の裏面を大凡覆っているため、導体平板として機能する。ウエハーなど全体として導電性を持つサンプル１１に対しては、針などで直接にサンプル１１の導電性を示す部分へ電圧を供給しても良い。大きな電気容量を形成する電極を絶縁体を挟んでサンプル１１の裏面に配置することも有効である。

（３）サンプル１１の表面から放出された２次電子は電子検出器６に向かうようなポテンシャル差が生じれば良いので、必ずしもサンプル１１に電流を流す必要は無い。

サンプル１１に印加する電圧は０Ｖから４００Ｖ程度の放電を起こさない範囲の一定電圧を印加する。特定の場所で異常集中電界が生じないように真空チャンバー１０内の構造物表面を出来るだけ滑らかにすると、より高い電圧印加時に放電しないように出来る。

（４）実際に使用する際には、予め４００Ｖ以上の放電する電圧を掛けて、わざと放電を起こして異常集中電界の元となる突起を飛ばし、エージングを掛けて置くことが望ましい。装置運用時に放電が起こらないように、放電するような４００Ｖ以上の電圧が掛からないようにインターロック等安全装置を付けておくことが望ましい。

必要に応じて、測定時だけバイアス電圧を印加しても良いし、測定のある一定のタイミングあるいは電子ビーム走査に同期して電圧印加を制御しても良い。あるいはある周波数の交流を印加しても良い。

図２は、本発明の基板バイアスの効果説明図（その１）を示す。

図２の（ａ）は従来のバイアス無の効果説明図を示し、図２の（ｂ）は本発明のバイアス有の効果説明図を示す。

図２の（ａ）はサンプルにバイアスが印加されていない場合の２次電子の放出の様子を示し、図２の（ｂ）はサンプルにバイアスが印加されている場合の２次電子の放出の様子を示す。

図２の（ａ）および図２の（ｂ）において、サンプル１１は、図１の対物レンズ８によって細く絞られた１次電子ビームを照射する対象のサンプル（試料であって、ウェハやマスクなど）である。

差動排気アパチャー９は、ここでは、図１の差動排気アパチャー９の下側の差動排気アパチャーＡ１と上側の差動排気アパチャーＡ２とからなる２段構成となっているものである。各差動排気アパチャーＡ１，Ａ２には、それぞれＶ１，Ｖ２の正バイアス電圧（２次電子を加速する正電圧）が印加されている。

・分布（１）は、図２の（ａ）において、サンプル１１から放出された２次電子が図示のような放射方向に広がり（ガウス分布）を持って放出される。この状態では、図２の（ｂ）の本発明のバイアス有と同じ分布を持って放射される。

・分布（２）は、図２の（ａ）において、差動排気アパチャーＡ１にバイアス電圧（正の加速電圧）が印加されていなく、０電位であるため、真空チャンバー１０内の低真空中にある気体にサンプル１１からあらゆる方向に放出された２次電子が衝突することを繰り返すことで散乱して図示のように広い開き角度分布を有する２次電子分布となる。このため、差動排気アパチャーＡ１の中心の小さな穴を通過する２次電子の割合は少なくなり（場合によっては２/３が遮断され）、一部のみが通過する（図５参照）。

一方、図２の（ｂ）の本発明のバイアス有の場合には、差動排気アパチャーＡ１に正のバイアス電圧（＋４００Ｖ以下）が印加されており上方向に加速されるために２次電子分布はほとんど広がることがなく図示のような小さい角度分布を有するものとなる。このため、差動排気アパチャーＡ１の中心の小さな穴をほとんどの２次電子が通過できる。

・分布（３）、（４）は、図２の（ａ）において、差動排気アパチャーＡ２にバイアス電圧が印加されていないので、更に徐々に２次電子分布が広がるので、外側の部分の２次電子が遮断され、一部の２次電子しか通過できない。

一方、図２の（ｂ）では、差動排気アパチャーＡ２に正のバイアス電圧が印加されており上方向に加速されるために２次電子分布はほとんど広がることがなく図示のような小さい角度分布を有するものとなる。このため、差動排気アパチャーＡ２の中心の小さな穴をほとんどの２次電子が通過できる。

以上のように、バイアスが印加されていない場合、サンプル１１の表面で発生した２次電子はエネルギーが非常に低く、低速度であらゆる方向に飛び出す。サンプル１１からあらゆる方向に飛び出した低い速度の電子のうち放出角度が軸から離れた部分の２次電子は対物レンズの磁場の影響をほとんど受けることも無く軸から外方向に走行し、該走行中に真空チャンバー１０内の低真空の気体と衝突して更にあらゆる方向に散乱することを繰り返し、真空チャンバー１０の内壁や差動排気アパチャー９の外側の保持部に衝突して吸収され、該差動排気アパチャーＡ１の小さな穴、更にＡ２の小さな穴を通過して電子検出器６には届かない部分が非常に多くある（図５を用いて詳述する）。

一方、差動排気アパチャーＡ１，Ａ２とサンプル１１との間にバイアスを加えた場合は、２次電子はサンプル１１に垂直方向に加速されるため、その軌道にそって進行する。電子ビーム走査は高々数十ミクロンの範囲で行われるので、その範囲から垂直に電子が上昇する。更に、加速された２次電子は対物レンズ８の磁場中に入ると該磁場と強く相互作用し、サイクロトロン周波数で渦巻き状に細く絞られて、竜巻の様にサンプル１１の表面から上昇する。その結果、真空チャンバー１０の内壁や差動排気アパチャーＡ１，Ａ２の穴の外周部分に衝突することなく、電子検出器６に向かい、検出される。この効果でアパチャーは汚染されずに常にきれいに保たれる。アパチャーが汚染されると帯電し電子ビームが曲がるなどの影響がでるが、本発明では起こらない。

ここで、サンプル１１にバイアス電圧を印加すると副次効果として、イオンはサンプル１１の表面に強く吸い付き、１次電子ビームが通過する空間あるいは１次電子ビーム照射が行われる箇所の直上の空間に漂うイオンが減少する。この効果により、サンプル１１の表面における帯電防止効果はより強くなり、イオンによる１次電子散乱も減少して１次電子ビームのスポット径を細く保つことができる。

図３は、本発明の基板バイアスの効果説明図（その２）を示す。

図３の（ａ）は従来のバイアス無の効果説明図を示し、図３の（ｂ）は本発明のバイアス有の効果説明図を示す。

図３の（ａ）はサンプルにバイアスが印加されていない場合の２次電子の放出の様子を示し、図３の（ｂ）はサンプルにバイアスが印加されている場合の２次電子の放出の様子を示す。

図３の（ａ）および図３の（ｂ）において、サンプル１１は、図１の対物レンズ８によって細く絞られた１次電子ビームを照射する対象のサンプル（試料であって、ウェハやマスクなど）である。

差動排気アパチャー９は、ここでは、図１の差動排気アパチャー９の下側の差動排気アパチャーＡ１と上側の差動排気アパチャーＡ２とからなる２段構成となっているものである。各差動排気アパチャーＡ１，Ａ２には、それぞれＶ１，Ｖ２の正バイアス電圧（１００－２００Ｖ）が印加されている。

図３の（ａ）において、サンプル１１から放出された２次電子は、図２の（ａ）で既述したように真空チャンバー１０の低真空中の気体に衝突を繰り返してあらゆる方向に散乱し、図示のように広い開き角度分布を有する２次電子分布となり、差動排気アパチャー９の下側のＡ１の中心の小さな穴を上方向に通過する２次電子は非常に少なくなってしまう。

一方、図３の（ｂ）の本発明のバイアス有の場合には、差動排気アパチャー９の下側のＡ１に正の１００～２００Ｖのバイアス電圧が印加されているので２次電子は上方向に加速され差動排気アパチャーＡ１の中心の小さな穴をほとんど通過する。更に、差動排気アパチャーＡ２に１００～２００Ｖのバイアス電圧が印加されているので更に加速されて差動排気アパチャーＡ２の中心の小さな穴をほとんど通過し、電子検出器６で検出されることとなる。

以上説明したように、図３の（ｂ）において、サンプル１１と差動排気アパチャー９との間にバイアス電圧（正の加速電圧）を印加することにより、サンプル１１から放出された２次電子を上方向に加速して差動排気アパチャーＡ１の中心の小さな穴を通過させ、更に対物レンズ８の磁界による軸上を渦巻きながら上方向に走行し、次に差動排気アパチャーＡ２のバイアス電圧により上方向に加速され該Ａ２の中心の小さな穴を通過し、電子検出器６によってサンプル１１から放出されたほとんど全ての２次電子を検出・増幅することが可能となる。

図４は、本発明の基板バイアス電圧と画像ＳＮＲの説明図を示す。ここで図４は、サンプル１１と差動排気アパチャー９との間にバイアス電圧を印加した場合の画像ＳＮＲの変化を示し、横軸は基板バイアス電圧（Ｖ）を表し、縦軸は画像ＳＮＲを表す。ここで使用している画像ＳＮＲは画像を構成する全てのピクセルの平均輝度を輝度分散で除したものを用いた。実験は１次電子ビームのエネルギー１．５ＫＶ, １０ｐＡ、真空チャンバーの真空度３０Ｐａで行った。

図４において、バイアス電圧を０から徐々に印加していくと、画像がどんどん明るくなり、輝度分散も小さくなる。これは、２次電子の方向が揃ってかつ、大量に差動排気アパチャー９を通過して電子検出装置６に到達していることを示している。その結果、バイアス２００Ｖでは画像ＳＮＲが２倍近く高くなる。このようにバイアス印加は画像ＳＮＲの向上に大きな効果がある。２００Ｖを超えると飽和が見られ、４００Ｖ以上では放電するので、それ以下の電圧が望ましい（図５参照）。

図５は、本発明の真空チャンバー圧力と放電電圧の説明図を示す。横軸は真空チャンバー圧力（Ｐａ）を表し、右端は大気圧を表し、左端は高真空を表し、縦軸は最低放電電圧（Ｖ）を表す。

図５において、図１、図３のサンプル１１と差動排気アパチャー９との間に印加する電圧（バイアス電圧）について、真空チャンバー１０内の圧力を変化させたときの最低放電電圧を測定したところ、図示のように下に凸の曲線であり、その最低放電電圧は約４００Ｖであることが判明した。

従って、図４で既述したように、基板バイアス電圧（Ｖ）を約２００Ｖ以下に保持すれば、真空チャンバー１０内を低真空にしても放電が発生しないようにし、サンプル１１から放出された２次電子を差動排気アパチャー９に向けて加速して該差動排気アパチャーＡ１の中心の小さな穴を通過させ、電子検出器６でほとんど全部の２次電子を検出・増幅し、画像ＳＮＲを、図４で既述した２倍に増大させることが可能となった。ＳＮＲが２倍になると、スループットもそれに比例して向上でき２倍以上の検査速度を実現できる。

図６は、本発明の他の実施例構成図を示す。この図６は、イオン発生源を別途設けた例を示す。

ここで、イオン発生源を別に設ける理由は、既述した図１の走査型電子顕微鏡は観察するために用いる１次電子が真空チャンバー１０の中のガスと衝突することでイオンを発生している。つまり、観察用の電子ビームとイオン発生用の電子ビームは共用である。そのため、１次電子ビーム量と発生イオン量は比例関係にあり、お互いに拘束されている。１次電子ビーム量は観察に最適化するのが通常であり、イオン発生は従属的である。単位１次電子ビーム量（電流量）に対して発生できるイオン量は真空中に存在するガス量に比例するため、イオン量を増やすためにはガスを導入して真空度をさらに下げるしかない。真空度を下げれば画像ＳＮＲが低下して必要な測定が実施できなくなる。

そこで、図６では、上述した図１の拘束を無くすために、観察用の１次電子ビームとは別にイオン発生用の電子ビーム発生装置を有する、電子ビーム式のイオン発生装置を有している点に特徴がある。

図６において、１から１３は図１の１から１３と同一であるので説明を省略する。

電子銃３１は、イオン化用の専用の電子ビームを発生する簡易な装置である。

電子ビーム３２は、電子銃３１から放出された電子ビームであって、真空チャンバー１０内の低真空中のガス（気体）に照射してイオン化するためのものである。

イオン加速電圧３３は、電子ビーム３２によって発生されたイオンをサンプル１１に向けて加速させる電圧であって、ここでは、図示のようにサンプル１１の１次電子ビームの照射領域にイオンが到達するような電極（中心に穴のある円盤電極、あるいは平板のメッシュ電極など）に印加する電圧である。

ファラデーカップ３４は、電子ビーム３２が真空チャンバー１０内のガスと衝突してイオン化に使われない残余の電子ビームを補集する（一度内部に入ると外にでないようにし、ノイズ源とならないようにする）ものである。

イオン流３５は、電子ビーム３２によって発生されたイオンをイオン加速電圧３３で加速してサンプル１１の１次電子ビーム照射領域に向けて流れるイオン流である。

ガス２５は、Ｎ２，Ｏ２などのイオン化するガス（気体）である。

ガスフロー２７は、圧力センサ２８で検出した真空チャンバー１０内の圧力に従い一定流量（あるいは一定圧力など）のガスを真空チャンバー１０に供給制御するものである。

圧力センサ２８は、真空チャンバー１０内の圧力を検出するものである。

以下図６の構成の動作を詳細に説明する。

（１）図６に示す、イオン化専用の電子銃３１はイオン化に必要なエネルギーをもった必要量の電子ビームを放出できればよいので、図１の電子銃１のような大掛かりなレンズや制御装置は要らず、タングステンフィラメント等安価な電子ビームエミッターを用いて、エクストラクター電極に数百から数ｋVの電圧を印加して加速し、そのまま真空チャンバー１０内に設けたファラデーカップ３４に向けて電子を放出させるだけで良い。

（２）専用の電子銃３１から放出された電子ビームは真空チャンバー１０内のガスと衝突してイオン化し、その後、画像形成に影響を与えないように、ファラデーカップ等で１００％吸収させる。

（３）電子銃３１で発生する電子ビームは１００μA以上と非常に大量なので、その電子ビームを低真空状態のガスに照射すればイオン化が大量に起こる。

（４）電子ビーム衝突によるガスのイオン化は確率的なので、電子ビームが通過する空間にイオン化していないガス分子が存在する限り、照射電流量に比例してイオンガスの量は増加する。但し、空間に存在するガスが全てイオン化してしまうと、飽和が起こり、それ以上のイオン量には成らない。余りにも大量に発生すると不具合が起こるため、イオン電流値が適切な値に成るように絞って使用する。あるいは、真空チャンバー１０内のガス量を減らして、発生するイオン量を調節する。

以上によって、専用の電子銃３１から電子ビームを真空チャンバー１０に導入し、該真空チャンバー１０内のガスをイオン化し、サンプル１１の１次電子ビーム照射領域に照射して流すことにより、サンプル１１の１次電子ビーム照射による発生するチャージを中和することが可能となる。

図７は、本発明の他の実施例構成図を示す。この図７は、真空紫外線ＬＥＤを用いたイオン発生装置を真空チャンバー１０内に配置した点に特徴がある。

以下詳細に説明する。

（１）最近、日本のノーベル賞技術により超小型のＤＵＶ－ＬＥＤが開発実用化されたため、真空チャンバー１０内に配置されたサンプル１１の近傍にて容易に波長が２００ｎｍ台（約５ｅＶ）の真空紫外線を発生させることが出来るようになった。しかしながら、ガスのイオン化に必要なエネルギーは１０ｅＶ以上なので、該ＬＥＤの発生する紫外線を直接ガスに当てても窒素や酸素をイオン化することは出来ない。

（２）そこで、図６に示すように、本発明では、２段階でイオンを発生させる。

（２－１）第１段目はＵＶ－ＬＥＤの発生する真空紫外線を用いて大量の電子を光電効果により発生させる。仕事関数が５ｅＶ以下の金属や化合物（チタンとかアルミ,鉄、ＮｉあるいはＧａＡｓ、酸化バリウムやＬａＢ６等）に上記真空紫外線を当てることで大量に電子を発生させる。

（２－２）第２段目は発生した電子を用いてガスをイオン化する。具体的には、真空紫外線を用いて発生した電子を数百ボルトから数キロボルトに加速することで、ガスのイオン化に必要なエネルギーを電子に持たせ、真空チャンバー１０内に存在するガスと衝突してイオンを発生することが出来る。

（３）一方、ＵＶ－ＬＥＤの発生した真空紫外線がサンプル１１の表面に当たると、不要な２次電子が光電効果によりサンプル１１の表面から放出されてノイズに成ったり、サンプル１１の表面の導電率が変化あるいはサンプル１１が変質したりしてサンプル１１の状態変化を引き起こして測定上不具合を起こすので、イオンを作るために利用する真空紫外線がサンプル１１の表面には直接当たらないように遮蔽する（外から光が見えない入れ物の中で電子を発生させるのが望ましい）。

（４）走査型電子顕微鏡等で測定に利用する電子ビーム電流量はｐＡからｎＡのオーダーと非常に小さいため、ＤＵＶ－ＬＥＤの光を電子に変換する効率がかなり低くても、帯電防止に必要な量のガスイオンを発生させるための電子を発生できる。例えば、現在開発されて市販されているＤＵＶ－ＬＥＤの出力は１０ｍＷ程度である。従って、その光を金属等２次電子発生材料に照射して発生する２次電子への変換効率が１％しか無くても１μＡ程度の電子放出電流を取り出すことが可能であり、これを加速してガスに照射すれば十分過ぎるイオンが発生する。このことは、例えば、１次電子ビームの１０倍量の電子を用いてイオンを作れば、真空チャンバー１０の真空度は１ケタ高くても同じだけのイオンを発生できることを意味している。１０倍も真空度が高く成ると画像のＳＮＲが高く成ることは容易にわかる。

図８は、本発明イオン発生装置例を示す。

図８の（ａ）は正イオンを発生するイオン発生装置を示し、図８の（ｂ）は負イオンを発生するイオン発生装置を示す。以下詳細に説明する。

（１）イオン量が多すぎると、十分な帯電防止効果は得られても、１次電子や２次電子と相互作用して、画像ＳＮＲが劣化につながる場合がある。つまり、サンプル１１の表面において必要十分な適切なイオン量になるよう調節する必要がある。サンプル１１の表面の帯電量は照射した電子ビーム量と比例関係にあるので、発生すべきイオン量は走査型電子顕微鏡等が利用する電子ビーム量と比例関係にあることが望ましい。

（２）そこで、電子ビーム量を測定して１次電子ビーム量とイオン発生量が比例するように制御を行う。イオン発生量は、紫外線発生ＬＥＤ（図８のＤＵＶ－ＬＥＤ５１）の発光力を変えても良いし、発生した電子に与える加速電圧（図８の電子加速電圧５４）を変えても良い。もちろんガス導入量を変えても良い。

（３）発生したイオンはサンプル１１の表面の電子ビーム照射領域の近傍に運ばれて初めて帯電防止効果が生じる。電子ビーム照射によって生じたイオンを電子ビーム照射領域に運ぶため、イオン発生器には、イオンを一方向に加速してイオン流を作るための電界をメッシュ状のイオン加速電極（図８のイオン加速電極５５）を利用して印加する。

（４）一般に、サンプル１１の帯電は正負どちらでも起きるが、サンプル１１の場所によって極性が異なる場合もある（１つのサンプル上に正負帯電領域が同時に存在する場合）。

（５）そこで、後述する図９の（ａ），（ｂ），（ｃ）に示した３つのモード１，２，３を実現する。

モード１：正のイオンがサンプル表面に運ばれるように電界を加える（図８の（ａ）参照）。

モード２：負のイオンがサンプル表面に運ばれるように電界を加える（図８の（ｂ）参照）。

モード３：部分的に異なる極性の帯電を起こしている場合には、正負どちらのイオンもサンプル表面に運ばれるように交流の電界を加える（図８の（ａ）と図８の（ｂ）とを交互に切り替える）。具体的にはイオン流制御回路５６の極性を正、負に交互に切り替え、正のイオンと負のイオンとが交互に電子ビーム照射領域の近傍に到達するようにする。ここで、正負の比率を変えることで、正負イオンの割合を自由に制御できる。パルス制御を行っても良い。印加電圧を変えることでイオン流量を変えることも出来る。

以上のようにすることで、電子ビームが照射されるサンプル１１の表面の帯電状況に応じたイオンを適切な極性で適切な量を与えることが出来る。

（６）イオン源に供給されるガスは真空チャンバー中に普通に存在しているガスでも、真空チャンバーに導入するガスボンベなどのガス源を用いても良い。真空チャンバーの真空中に存在するガスをイオンガス源とする場合は、発生したイオンには特定の方向の流れが存在しないため、適切なイオン流を作り出すためのバイアス電圧を前述したように加えることで、自由にイオン流の大きさおよび方向を制御できる。一方、ガス供給源に直接接続した場合には、イオン流は圧力差により一方向に流れるため、イオン流を作り出すためのバイアス電源や電極は不要であるが、イオン流を自由に制御することは出来ない。目的に合わせて両者を使い分けることが出来る。

（７）さらに、図８のイオン発生装置から放出されたイオンを効率よくサンプル表面に導くために、図７の電界制御装置４２を用いてサンプル１１とイオン発生装置４１の間に電圧を加えても良い。

（８）図６、図７のようにイオンを１次電子ビームとは別に発生できると、イオン発生効率を上げられるので、真空チャンバー１０の真空度を落とさないで、大量のイオンを発生できるようになる。その結果、１次電子と真空チャンバー１０中にガスとの相互作用は小さくなり、実効的な照射電流量を上げて画像のＳＮＲを向上、ビームスポットサイズを小さく保つことが可能となり、走査型電子顕微鏡の分解能を向上できる。

（９）サンプル１１表面の帯電除去に必要なイオン量は１次電子ビームを用いた場合も、本実施例のように別途イオンを発生した場合も同じである。従って、１次電子ビームがサンプル１１の表面にて発生する２次電子が電子検出器６に至るまでにイオンと衝突する確率は両者で同じであるため、単にイオンを別の装置で発生させるだけでは画像ＳＮＲの向上効果は小さい。しかしながら、本発明のバイアス電圧をサンプル１１と差動排気アパチャー９との間に印加して多くの２次電子を電子検出器６の方向に取り込むことで、サンプル１１の表面で発生した２次電子がイオンと衝突して散乱しても、そのほとんどが電子検出器６によって検出されるため、画像ＳＮＲの向上を図ることができる。

以下簡単に図８および図９の構成を説明する。

図８の（ａ）は正イオンを発生するイオン発生装置４１の例を示し、図８の（ｂ）は負イオンを発生するイオン発生装置４１の例を示す。

図８の（ａ）および（ｂ）において、ＤＵＶ－ＬＥＤ５１は、紫外線（真空紫紫外線、２００ｎｍ（約５ｅＶ））を発生する半導体素子であって、発生した紫外線を電子発生材料５２に照射して電子５３を発生させるものである。

電子発生材料５２は、ＤＵＶ－ＬＥＤ５１から照射された紫外線により電子５３を発生するものである。

電子５３は、電子発生材料５２を紫外線で照射したときに放出された電子である。

電子加速電圧５４は、電子発生材料５２から放出された電子を加速し、電子発生材料５２とＤＵＶ－ＬＥＤ５１の間の空間中に存在するガス（Ｎ２，Ｏ２など）に衝突して電離（正のイオン、負のイオンに電離）させるものである。

イオン加速電極５５は、電子加速電圧５４を印加して加速された電子がガスに衝突して電離した正のイオンあるいは負のイオンのうちのいずれかのイオンを加速して右側の外側に加速イオン流（正）（図８の（ａ））、あるいは加速イオン流（負）（図８の（ｂ））を放射するものである。イオン加速電極５５に正の電圧を印加したときに図８の（ａ）の加速イオン流（正）を放射し、イオン加速電極５５に負の電圧を印加したときに図８の（ｂ）の加速イオン流（負）を放射する。尚、イオン加速電極５５に印加する電圧を正あるいは負に切り替えることにより、正あるいは負のイオンを切り替えて放射することができる。

図９は、本発明のイオンモード説明図を示す。

図９の（ａ）は、モード１を表す。このモード１では、図８の（ａ）のようにイオン加速電極５５に正電圧のパルスを印加し、パルス状の正イオン流を放射する。

図９の（ｂ）は、モード２を表す。このモード２では、図８の（ｂ）のようにイオン加速電極５５に負電圧のパルスを印加し、パルス状の負イオン流を放射する。

図９の（ｃ）は、モード３を表す。このモード３では、モード１とモード２とをパルス状に交互に切り替えるものであって、図８の（ａ）と図８の（ｂ）のようにイオン流制御回路５６の電圧を正と負とを交互に切り替え、パルス状の正イオン流と負イオン流とを交互に切り替えて放射する。

本発明の１実施例構成図である。 本発明の基板バイアスの効果説明図（その１）である。 本発明の基板バイアスの効果説明図（その２）である。 本発明の基板バイアス電圧と画像ＳＮＲの説明図である。 本発明の真空チャンバー圧力と放電電圧の説明図である。 本発明の他の実施例構成図である。 本発明の他の実施例構成図である。 本発明のイオン発生装置例である。 本発明のイオンモード説明図である。

１：電子銃
２：コンデンサレンズ
３：ブランキング電極
４：ブランキングアパチャー
５：対物アパチャー
６：電子検出器
７：偏向電極
８：対物レンズ
９：差動排気アパチャー
１０：真空チャンバー
１１：サンプル
１２：ＸＹステージ
１２１：ホルダー
２１：高圧電源
２２：電子ビーム制御回路
２３：ＰＣ（パソコン）
２４：ディスプレイ
２５：ガス
２６：真空制御装置
２７：マスフロー
２８：圧力センサ
２９：ステージ制御装置
３１：電子銃
３２：電子ビーム
３３：イオン加速電圧
３４：ファラデーカップ
３５：イオン流
４１：イオン発生装置
４２：電界制御装置
４３：イオン流
５１：ＤＵＶ－ＬＥＤ
５２：電子発生材料
５３：電子
５４：電子加速電圧
５５：イオン加速電極
５６：イオン流制御回路
Ａ１，Ａ２：差動排気アパチャー

Claims (3)

1. 電子ビームを細く絞ってサンプルに照射しつつ平面走査し、放出された２次電子を検出する２次電子検出器を設けた走査型電子顕微鏡において、
   前記電子ビームを細く絞る対物レンズと試料室内に移動可能に保持された前記サンプルとの間に該電子ビームが通過する小さなアパチャーと、
   前記電子ビームとは別に発生させた第２の電子ビームを試料室内の気体に衝突させて正および負イオンにイオン化すると共に、イオン化に寄与しない該第２の電子ビームを捕捉する捕捉手段を設け、前記イオン化された正および負イオンを、前記試料室内のサンプルの表面に対して、電子ビームの照射によって生じた負および正電荷を中和するに十分なイオン量を照射するイオン発生装置と
   を備えたことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
2. 前記サンプルと前記アパチャーとの間に、放電しない範囲の４００Ｖ以下の所定バイアス電圧を印加するサンプル電圧印加装置を設け、
   前記サンプル電圧印加装置が前記サンプルから放出された２次電子を前記アパチャーに向けて加速する電圧を該アパチャーに印加して、該サンプルから放出された２次電子を該アパチャーの小さな穴を通過させるように偏向し、該通過した２次電子を前記２次電子検出器で検出して２次電子検出割合を増大させ、併せて放電しない範囲の前記バイアス電圧を印加して放電を抑止し、かつサンプルへの前記電子ビームの照射による負および正電荷を中和してチャージを防止およびバックグラインドノイズを低減してＳ/Ｎを向上させたことを特徴とする請求項１に記載の走査型電子顕微鏡。
3. 電子ビームを細く絞ってサンプルに照射しつつ平面走査し、放出された２次電子を検出する２次電子検出器を設けた走査型電子顕微鏡の２次電子検出方法において、
   前記電子ビームを細く絞る対物レンズと試料室内に移動可能に保持された前記サンプルとの間に該電子ビームが通過する小さなアパチャーと、
   前記電子ビームとは別に発生させた第２の電子ビームを試料室内の気体に衝突させて正および負イオンにイオン化すると共に、イオン化に寄与しない該第２の電子ビームを捕捉する捕捉手段を設け、前記イオン化された正および負イオンを、前記試料室内のサンプルの表面に対して、電子ビームの照射によって生じた負および正電荷を中和するに十分なイオン量を照射するイオン発生装置と
   を設け、
   該イオン発生装置が正および負のイオンを前記サンプルに照射してチャージを防止したことを特徴とする走査型電子顕微鏡の２次電子検出方法。

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