電流測定装置及び電流測定方法
【課題】 電子ビーム等のプローブ照射により半導体基板等の測定サンプルに流れる微小電流を、低ノイズでかつ広周波数帯域で測定できる電流測定装置及び電流測定方法を提供する。
【解決手段】 電子ビーム１２等のプローブを測定サンプル４に照射したときに、その測定サンプル４に生じる電流を測定する手段を有する電流測定装置であって、測定サンプル４に流れる電流について増幅する増幅回路として、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８を有することを特徴とする。
【解決手段】 電子ビーム１２等のプローブを測定サンプル４に照射したときに、その測定サンプル４に生じる電流を測定する手段を有する電流測定装置であって、測定サンプル４に流れる電流について増幅する増幅回路として、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流測定装置及び電流測定方法に関する。また、本発明は、電子ビーム、イオンビーム、電磁波、音波、振動などを利用して、半導体デバイス製造工程途中のプロセス評価を行うのに好適な電流測定装置及び電流測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビーム照射時に流れる基板電流を用いて半導体デバイスのプロセス良否を評価する方法として基板電流法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００３】
この方法は、例えばエッチングを終えた状態のウエハに対して、一定のエネルギーを持つ電子ビームを数秒の間、照射し、その時に生じる基板電流の大小あるいは極性からプロセスの状態を知る方法である。例えば電子ビームエネルギーとしては１ＫｅＶが利用され、電流量としては、ピコアンペア（ｐＡ）の大きさを用いる。
【０００４】
この方法では、プロセス結果が同じである場合、同じ基板電流が生じ、プロセス結果が異なる場合、異なった電流が生じることでプロセス状態を把握できる。また、プロセスの状態によってピコアンペアレベルの電流が変化し、その電流を測定することでプロセスが評価できる。
【特許文献１】特許第３３３４７５０号公報
【特許文献２】特許第３２９２１５９号公報
【特許文献３】特許第３１７５７６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
基板電流から精密な測定を行うためには、非常にノイズの小さな電流測定手段が必要である。従来は、ピコアンペア以下の電流を測定するために、図１３に示すように、低入力電流特性を持つ演算増幅器２１を選定し、かつ、フィードバック抵抗器Ｒ１に大きな抵抗値の抵抗器を用いていた。フィードバック抵抗器Ｒ１に大きな抵抗値のものを用いると、増幅率に対するホワイトノイズの増加割合を減らすことが出来るが、寄生容量に起因して測定可能な周波数帯域幅が狭くなるトレードオフの課題がある。このように、従来は高速で、かつ低ノイズの増幅を行うことは原理的に困難であった。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、電子ビーム等のプローブ照射により半導体基板等の測定サンプルに流れる微小電流を、低ノイズでかつ広周波数帯域で測定できる電流測定装置及び電流測定方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、測定感度と精度を向上させ、さらに基板電流等の測定における利便性を向上させることができる電流測定装置及び電流測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の電流測定装置は、電子ビーム等のプローブを測定サンプルに照射したときに、該測定サンプルに生じる電流を測定する手段を有する電流測定装置であって、前記測定サンプルに流れる電流について増幅する増幅回路として、スイッチトキャパシタ形式の増幅回路を有することを特徴とする。
本発明によれば、スイッチトキャパシタ形式の増幅回路におけるコンデンサは電荷を充放電することにより抵抗として機能する。その一方、このコンデンサは大きな抵抗値の現実の抵抗と異なり、いわゆる「ホワイトノイズ」を発生させない。したがって、本発明は、電子ビーム等のプローブ照射により半導体基板等の測定サンプルに流れる微小電流を、低ノイズでかつ広周波数帯域で測定することができる。
【０００８】
また、本発明の電流測定装置は、測定対象となる測定サンプルにプローブを照射するプローブ照射手段と、前記測定サンプルにプローブを照射したときに、該測定サンプルに流れた電流について電荷として蓄積する第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサに蓄積された電荷によって生じた電圧が印加される負入力端子と基準電圧が印加されている正入力端子とを有する演算増幅器と、一端が前記演算増幅器の負入力端子に接続されており、他端が該演算増幅器の出力端子に接続されている第２のコンデンサと、前記第１のコンデンサに蓄積された電荷を放電するスイッチと、前記スイッチの動作を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、第１のコンデンサ、演算増幅器、第２のコンデンサ、スイッチ及び制御手段がスイッチトキャパシタ形式の増幅回路として機能することができる。すなわち、第１及び第２のコンデンサは、スイッチの開閉により電荷を充放電して抵抗として機能する。その一方、第１及び第２のコンデンサは大きな抵抗値の現実の抵抗と異なり、いわゆる「ホワイトノイズ」を発生させない。したがって、本発明は、電子ビーム等のプローブ照射により半導体基板等の測定サンプルに流れる微小電流を、低ノイズでかつ広周波数帯域で測定することができる。
【０００９】
また、本発明の電流測定装置は、測定対象となる測定サンプルにプローブを照射するプローブ照射手段と、前記測定サンプルに容量結合している電極と、一端が前記電極に接続されている第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサの他端に接続されている負入力端子と基準電圧が印加されている正入力端子とを有する演算増幅器と、一端が前記演算増幅器の負入力端子に接続されており、他端が該演算増幅器の出力端子に接続されている第２のコンデンサと、前記第１のコンデンサに蓄積された電荷を放電するスイッチと、前記スイッチの動作を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、測定サンプルと電極が容量結合しているので、測定サンプルと電極とを直流的又は交流的に良好に接続することができる。測定サンプルに流れる電流について、電極を介して、第１のコンデンサに良好に充電することができる。さらに、第１のコンデンサ、演算増幅器、第２のコンデンサ、スイッチ及び制御手段がスイッチトキャパシタ形式の増幅回路として機能することができる。したがって、本発明は、電子ビーム等のプローブ照射により半導体基板等の測定サンプルに流れる微小電流を、さらに低ノイズでかつ広周波数帯域で測定することができる。また、本発明は、測定サンプルとスイッチトキャパシタ形式の増幅回路とを配線接続する必要がなく、実用性を高くすることができる。
【００１０】
また、本発明の電流測定装置は、測定対象となる測定サンプルにプローブを照射するプローブ照射手段と、前記測定サンプルに電気的に接続された負入力端子と基準電圧が印加されている正入力端子とを有する演算増幅器と、前記演算増幅器の負入力端子と出力端子との間に配置されている第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサに蓄積された電荷を放電するスイッチと、前記スイッチの動作を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、第１のコンデンサ、演算増幅器、スイッチ及び制御手段がスイッチトキャパシタ形式の増幅回路として機能することができる。すなわち、第１のコンデンサはスイッチの開閉により電荷を充放電して、演算増幅器の帰還抵抗として機能する。その一方、第１のコンデンサは大きな抵抗値の現実の抵抗と異なり、いわゆる「ホワイトノイズ」を発生させない。したがって、本発明は、電子ビーム等のプローブ照射により半導体基板等の測定サンプルに流れる微小電流を、低ノイズでかつ広周波数帯域で測定することができる。
【００１１】
また、本発明の電流測定装置は、前記スイッチが、前記第１のコンデンサの一端に接続された第１のスイッチと、該第１のコンデンサの他端に接続された第２のスイッチとを有してなることを特徴とする。
本発明によれば、第１及び第２のスイッチを所定のタイミングで断続させることにより第１及び第２のコンデンサを抵抗として機能させることができる。
【００１２】
また、本発明の電流測定装置は、前記第１のスイッチにおける前記第１のコンデンサ側の端子とは逆側の端子と、前記第２のスイッチにおける前記第１のコンデンサ側の端子とは逆側の端子とに可変電圧を印加する電圧源を有することを特徴とする。
本発明によれば、例えば、プローブ照射手段から測定サンプルが受ける電子ビームのエネルギーと、電圧源からスイッチ等を介して測定サンプルに印加される電圧のエネルギーとの差が、測定サンプルが受ける実効電子ビームエネルギーとなる。これにより、例えば、プローブ照射手段から高エネルギーの電子ビームを測定サンプルに照射しても、測定サンプルが受ける実効電子ビームエネルギーを小さくすることができる。したがって、本発明は、このような電流測定において測定サンプルに与えるダメージを低減しながら、測定感度と精度を向上させ、さらに基板電流等の測定における利便性を向上させることができる。
【００１３】
また、本発明の電流測定装置は、前記増幅回路、又は前記演算増幅器の正入力端子に、基準電圧として可変電圧を印加する増幅器用電圧源を有することを特徴とする。
本発明によれば、例えば測定サンプルの電位と演算増幅器などの電位とを近づけることができる。したがって、本発明は、このような電流測定において測定サンプルに与えるダメージを低減しながら、測定感度と精度を向上させ、さらに基板電流等の測定における利便性を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明の電流測定装置は、前記プローブの照射を断続させる断続手段を有することを特徴とする。
また、本発明の電流測定装置は、前記断続手段が前記プローブの照射を断続させるタイミングと、前記スイッチトキャパシタ形式の増幅回路のコンデンサ、又は第１のコンデンサを充放電するタイミングと、を同期させる同期手段を有することを特徴とする。
本発明によれば、スイッチトキャパシタ形式の増幅回路などが同期アンプ（ロックインアンプ）として機能することができる。そこで、本発明は、その同期アンプが狭帯域アンプを形成し、ノイズを除去することができる。したがって、本発明は、さらにノイズの影響を抑えた高性能な電流測定装置を提供することができる。
【００１５】
また、本発明の電流測定装置は、前記増幅回路又は前記演算増幅器の出力をアナログ信号からデジタル信号に変換するコンバータと、前記測定サンプルに流れる電流について測定するときに、該測定サンプルと、前記増幅回路又は前記演算増幅器と、前記コンバータとが少なくとも入れられる真空チャンバとを有することを特徴とする。
本発明によれば、測定サンプルを流れる電流についてデジタル信号にするまでを、真空チャンバ内で実行することができる。ここで、スイッチトキャパシタ形式の増幅回路などは電池で駆動する構成としてもよい。
【００１６】
また、本発明の電流測定装置は、前記プローブとして、電子ビーム、イオンビーム、電磁波、音波、振動のうちの少なくとも１つを前記測定サンプルに照射する照射手段を有することを特徴とする。
本発明によれば、例えばプローブと測定サンプルとを非接触状態としながら測定サンプルに電流を流すことができる。したがって、測定サンプルについての製造工程途中のプロセス評価などを、高精度に行うことができる。
【００１７】
また、本発明の電流測定方法は、電子ビーム等のプローブを測定サンプルに照射し、該測定サンプルに生じる電流を測定する電流測定方法であって、前記測定サンプルに流れる電流について、スイッチトキャパシタ形式の増幅回路により増幅することを特徴とする。
本発明によれば、スイッチトキャパシタ形式の増幅回路を用いて、測定サンプルに生じる電流を測定するので、電子ビーム等のプローブ照射により半導体基板等の測定サンプルに流れる微小電流を、低ノイズでかつ広周波数帯域で測定することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の電流測定装置及び電流測定方法においては、測定サンプルに生じた電流について、スイッチトキャパシタ形式の増幅回路で増幅するので、電子ビーム等のプローブ照射により半導体基板等の測定サンプルに流れる微小電流を、低ノイズでかつ広周波数帯域で測定することができる。
【００１９】
また、外部からスイッチトキャパシタ形式の増幅回路にバイアス電圧などを印加することで、測定サンプルの電位を制御し、その測定サンプルが受ける照射電子ビーム等の実効エネルギーを低下させることが容易に行え、測定感度を向上させることができる。
【００２０】
さらに、電子ビーム源などの設定を変えることなく電子ビームなどのエネルギーレベルを大きく変更できるので、高速で電子ビームのエネルギーレベルを変更できる。このため、電子ビームのエネルギーレベルを変更した後に同じ場所に電子ビーム照射することができ、複数のエネルギーレベルを持つ電子ビームを用いて基板電流を測定する場合に、測定精度を著しく向上できると共に、測定のスループットが向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る電流測定装置の全体構成例を示す図である。本実施形態の電流測定装置は、電子ビーム源１と、トレイ５と、ＸＹステージ６と、真空チャンバー７と、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８と、高圧電源９と、電子銃１１とを有して構成されている。電子銃１１は、コンデンサレンズ２、対物レンズ３、アパーチャ１０からなる。
【００２２】
電子ビーム源（プローブ照射手段）１は、一定のエネルギーで電子ビーム（プローブ）１２を放出するものである。真空チャンバー７は、電子ビーム１２が放出できるように雰囲気制御するためのものである。そして、真空チャンバー７内には、電子ビーム１２が照射され測定対象となる測定サンプル４と、トレイ５と、ＸＹステージ６とが配置されている。高圧電源９は、電子銃１１が所望のエネルギーレベルを有した電子ビーム１２を発生するために必要な高圧を、その電子銃１１に加えるものである。また、本電流測定装置には、電子ビーム１２を偏向するための電圧を制御する制御電源（図示せず）が備えられている。
【００２３】
また、測定サンプル４は、測定対象となるものであり、半導体デバイス製造工程の途中における半導体基板などが該当する。トレイ５は、測定サンプル４を支持すると共に、測定サンプル４に流れる基板電流を集めるための電極としても機能するものである。ＸＹステージ６は、電子ビーム１２を所望の場所に照射するための位置決め機構である。ＸＹステージ６には、ボールネジを使用したものやセラミック振動を利用したものなどが適用できる。より精密に位置合わせを行うためには、光学顕微鏡あるいは電子ビーム１２の照射時に得られる二次電子画像を利用してパターンマッチングを行う方法を、位置決め機構として適用してもよい。
【００２４】
スイッチトキャパシタ電流増幅回路８は、測定サンプル４へ電子ビーム１２が照射された時に、その測定サンプル４に生じる電流を測定するためのスイッチトキャパシタ形式の増幅回路である。スイッチトキャパシタ電流増幅回路８は、トレイ（電極）５を介して測定サンプル４に接続されている。
【００２５】
本実施形態においては、測定サンプル４に電子ビーム１２が照射されたとき、その測定サンプル４に生じる微小電流を、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８が増幅することができる。これにより、本実施形態によれば、測定サンプル４について、非常に低ノイズでかつ広い周波数帯域を持つ微少電流測定が可能となる。
【００２６】
［第２実施形態］
図２は、本発明の第２実施形態に係る電流測定装置を示す回路図である。すなわち、図２では、電子ビーム１２の照射により測定サンプル４に生じる電流を増幅するスイッチトキャパシタ電流増幅回路８の構成例を示している。本実施形態は、図１に示す第１実施形態の電流測定装置におけるスイッチトキャパシタ電流増幅回路８の具体的な構成例とみることができる。したがって、本実施形態の電流測定装置は、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８以外は、第１実施形態の電流測定装置と同一とすることもできる。
【００２７】
スイッチトキャパシタ電流増幅回路８は電流信号を電圧信号に変換する。そして、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８は、コンデンサＣ１，Ｃ２と、スイッチＳ１，Ｓ２と、演算増幅器２１と、フィルター２２とを有して構成されている。スイッチトキャパシタ電流増幅回路８は、通常の演算増幅器回路で使用される抵抗器を、コンデンサＣ１，Ｃ２とスイッチＳ１，Ｓ２で置き換えた回路である。
【００２８】
そして、コンデンサＣ２は、測定サンプル４に電子ビーム１２を照射したときに、その測定サンプル４に流れた電流について電荷として蓄積する第１のコンデンサをなしている。演算増幅器２１は、コンデンサＣ２に蓄積された電荷によって生じた電圧が印加される負入力端子とグランド電位が印加されている正入力端子とを有する演算増幅器である。コンデンサＣ１は、一端が演算増幅器２１の負入力端子に接続されており、他端が演算増幅器２１の出力端子に接続されている第２のコンデンサをなしている。また、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８は、スイッチＳ１，Ｓ２の動作を制御する制御手段（図示せず）を有している。また、スイッチＳ１，Ｓ２は例えばＭＯＳトランジスタで構成することができる。
【００２９】
抵抗器は、ある電圧を加えたときに流れる電流を規制する部品である。その関係は、抵抗値Ｒの抵抗器の両端に加える電圧をＥとして流れる電流はＩ＝Ｅ／Ｒで与えられる。一方、これと同じ機能は、一回のコンデンサに蓄積される電荷を何回充放電するかで実現できる。つまり、Ｉ＝ＣＶ×Ｎ＝Ｑ×Ｎの関係が成立する。ここで、Ｃはコンデンサ容量、Ｖはコンデンサの両端の電圧、Ｎは単位時間当たりのスイッチングの回数、Ｑはコンデンサに蓄積される電荷量である。
【００３０】
一般に、抵抗器は抵抗器値が大きくなるにつれ電気伝導に関わる電子数が減少する。従って、電気抵抗器値が大きくなると伝導電子の個数が少なくなることによる揺らぎが生じる。この揺らぎは、ホワイトノイズとして知られており、抵抗値を大きくすれば、それに比例して大きくなる性質がある。一方、コンデンサは単なる金属の対であり、金属の中には大量の伝導電子が存在し、揺らぎによるノイズはきわめて小さい。また電流は変位電流によって伝わる。従って、電流を運ぶための電子が直接的には関与せず、ノイズを発生しない。スイッチをオンオフする際にはノイズが発生するが、そのノイズは既知の周期を有するパルス性のノイズなので、容易にフィルター２２を利用して除去することが可能である。
【００３１】
スイッチトキャパシタ電流増幅回路８は、コンデンサとスイッチからなる等価抵抗器の大きさで決まる電流電圧変換能力を持つ。例えば、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２に１ｐＦのコンデンサを用いたとする。そして、１ｐＡの電流が演算増幅器２１に流入すると、先ず、スイッチＳ１（第１のスイッチ）は開、スイッチＳ２（第２のスイッチ）は閉の状態として、コンデンサＣ２に電荷を蓄積する。
【００３２】
その結果、コンデンサＣ２の両端には１Ｖの電位差が生じる。次の瞬間スイッチＳ１を閉、スイッチＳ２を開とする。その結果、演算増幅器２１の負入力端子には、１Ｖの逆電圧が加えられる。演算増幅器２１は正負の入力端の電位差を０にするように働くので、演算増幅器２１の出力端には１Ｖの出力が現れる。つまり、１ｐＡという非常に小さな電流が１Ｖという大きな電圧に変換される。半導体デバイスの中に小さな容量を作るのは容易なので、１ｐＦよりも小さな容量をコンデンサＣ２として適用することも容易である。もし、コンデンサＣ２を０．１ｐＦ、コンデンサＣ１を１ｐＦとすれば、１００ｆＡの電流入力があったときに１Ｖの出力を得ることができる。なお、スイッチＳ１、Ｓ２をオンオフする発生するノイズは、フィルター２２により除去する。
【００３３】
これらにより、本実施形態の電流測定装置によれば、非常に低ノイズでかつ広い周波数帯域を持つ微少電流測定が可能となる。そのため、本実施形態の電流測定装置は、同じ信号量の場合、例えば、測定速度が従来の電流測定装置（図１２参照）と比較して１００倍以上速くなる。また、電流をより多く流せば、さらに高速で電流を測定することが可能となり、メガヘルツよりも高い周波数の測定が可能となる。また、一度に高倍率増幅を行いかつ、温度特性に左右されにくいので、良好な温度特性を得ることができる。
【００３４】
［第３実施形態］
図３は、本発明の第３実施形態に係る電流測定装置を示す回路図である。本実施形態と第２実施形態との相違点は、本実施形態では電極３１を有している点である。
【００３５】
すなわち、本実施形態の電流測定装置では、測定サンプル４の下に、その測定サンプル４との間で容量結合するプレート状の電極３１が付設されている。そして、測定サンプル４と電極３１との間は、直流的又は交流的に接続されている。この電極３１は、測定サンプル４の裏面にあってもよいし、測定サンプル４の表面又は側面にあってもかまわない。電極３１を測定サンプル４の裏面に配置した場合、電極３１は測定サンプル４とほぼ同じ大きさを有することとして、非常に大きな容量を形成することができる。ここで、非常に大きな容量とは、例えば、測定サンプル４と電流測定装置の筐体との寄生容量等に比較して、非常に大きな容量という意味である。
【００３６】
本実施形態の電流測定装置は、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８が電極３１に電気的に接続されており、電極３１に集められた電流を測定することに特徴がある。つまり、本実施形態によれば、測定サンプル４とスイッチトキャパシタ電流増幅回路８とを配線接続する必要がなく、実用性が高くなる。
【００３７】
［第４実施形態］
図４は、本発明の第４実施形態に係る電流測定装置の全体構成例を示す図である。本実施形態の電流測定装置は、第１から第３実施形態のスイッチトキャパシタ電流増幅回路８に相当する電流測定回路４１を有するとともに、その電流測定回路４１にバイアス電圧を印加するバイアス電源４４を有していることが特徴の一つである。なお、図４において、図１から図３の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。
【００３８】
光学の原理によれば、物体を見分ける指標となる空間分解能は利用する光の波長と同等程度であることが分かっている。電子ビームは波長が非常に短いことが特徴である。例えば単色の１００ｅＶの電子ビームでさえ波長は１オングストロームよりもはるかに短い。しかしながら、実際に発生し得る電子ビームは大きなエネルギーの分散をもち、波長がわずかずつ異なった電子ビームの集合体であるため、電子ビームのエネルギーから想定されるよりもはるかに低い空間分解能しか得ることができない。電子ビームを用いた電流測定装置では、デバイス（測定サンプル４）へのダメージや感度の向上を目的として、低エネルギーでかつ、エネルギーの良く揃った電子ビームが必要とされる。
【００３９】
図４に示す本実施形態の電流測定装置は、相対的に、低エネルギーでかつエネルギーの良く揃った電子ビームを得ることができる。本実施形態では、加速電極４２と加速電源４３を用いて、電子ビーム源１から飛び出た電子ビームを一旦非常に高いエネルギーの状態にする。この状態で非常に小さな円筒形のアパーチャ１０を通過させ、エネルギーの揃っている部分だけを取り出す。その後、何らかの方法で実効的な電子ビーム照射エネルギーを下げる方法が利用される。
【００４０】
例えば、電子ビーム１２を一旦加速電極４２により５ｋＶ程度までエネルギーを増加させる。アパーチャ１０は、数ミクロンの大きさを有しており、一種のエネルギーフィルターを構成する。電子ビーム源１から放出される電子ビームは、チップと呼ばれる電子ビーム放出電極の先端部分から放出される。放出される領域は数百オングストロームの範囲と小さな領域ではあるが、放出される場所によって電子ビームエネルギーに差が生じている。この差が生じると、電子ビームをフォーカスした際に、収差が生じて異なった場所に焦点を結ぶため、像がぼけてしまう原因となる。これらは、空間分解能を低下させ測定精度を悪化する原因になる。
【００４１】
小さなアパーチャ１０に電子ビーム１２を照射すると電子ビーム１２のエネルギーレベルが揃っている中心部のみが通過し、電子ビーム源１から電子ビーム１２が放出された時のエネルギー分散に比べ非常に小さな分散を持つようになる。このような状態の電子ビーム１２は電子ビームエネルギーが低くても良いフォーカスを実現できる。その後、バイアス電源４４により電流測定回路４１に加えられた、例えば４．９ｋＶというようなバイアス電圧により、サンプルに実際に照射される電子ビームエネルギーは１００ｅＶと小さなものになる。しかしながら、この電子ビームは非常にエネルギーが揃っており、ビームがシャープにフォーカスするようになる。なお、電流測定回路４１は、先に説明したスイッチトキャパシタ電流増幅回路８と同様の回路であり、バイアス電源４４を含む回路構成については、後の実施形態で説明する。
【００４２】
これらにより、本実施形態の電流測定装置によれば、バイアス電源４４を設けているので、照射電子ビームエネルギーの実効エネルギーを低下させることが可能となり、測定の感度を向上させることができる。したがって、本電流測定装置は、測定サンプル４へのダメージを大幅に低減させるような、低エネルギーレベルの電子ビームにかかわらず、フォーカスを絞ることができる。また、電流測定回路４１に高電圧を加えるだけで、照射電子ビームの実効エネルギーを下げることが可能となり、従来必要であった高圧部と通常電圧部を結ぶための複雑なアイソレーションアンプなどが不要になる。
【００４３】
［第５実施形態］
図５は、本発明の第５実施形態に係る電流測定装置を示す図である。なお図５において図１から図４の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態は、測定サンプル４に接続されたスイッチトキャパシタ電流増幅回路８にバイアス電圧を加えるための電源（電圧源）５１および電源（増幅器用電圧源）５２を設けた構成に特徴がある。
【００４４】
この電源５１、５２は、可変電圧電源であり、出力電圧Ｖ１，Ｖ２を変化させることにより、測定サンプル４の表面の実効電子ビームエネルギーを電圧Ｖ１、Ｖ２に比例して変化させることができる。つまり、電子ビーム照射エネルギー（例えば、電圧Ｖ３）から、測定サンプル４に印加されたＶ１又はＶ２の電圧を引いたエネルギーレベルが、測定サンプル４の表面の実効電子ビームエネルギーとなる。
【００４５】
このように、本実施形態によれば、外部からスイッチトキャパシタ電流増幅回路８にバイアス電圧を加えることで、測定サンプル４の電位を制御することができ、照射電子ビームエネルギーの実効エネルギーを低下させることができ、測定の感度を上げることができる。また、本実施形態によれば、電子ビーム源１の設定を変えないで、電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ２のいずれかを変えることにより、電子ビームのエネルギーレベルを大きく変更することができる。また、電子ビーム１２のエネルギーレベルを変更した後に同じ場所に電子ビーム照射できるので、異なるエネルギーレベルの電子ビームを複数用いて測定する場合に測定精度が著しく向上し、また、測定のスループットも向上する。
【００４６】
［第６実施形態］
図６は、本発明の第６実施形態に係る電流測定装置を示す図である。なお図６において、図１から図５の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第５実施形態との相違点は、本実施形態では電極３１を有している点である。
【００４７】
すなわち、本実施形態の電流測定装置では、測定対象となる測定サンプル４に隣接してプレート状の電極３１を設けた構成に特徴がある。測定系に存在する容量成分は、電極３１と測定サンプル４との間にできた容量と、測定サンプル４と電流測定装置の筺体間に生じる寄生容量が主な成分となる。この中で、測定サンプル４と電極３１の間に生じる容量は圧倒的にほかの容量と比較して大きい。これにより、測定サンプル４を直接バイアスしていないにも関わらず、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８に加えた電圧Ｖ１又はＶ２によって照射電子ビームの実効エネルギーを変化させることが可能となる。
【００４８】
測定サンプル４に対して、電子ビーム照射エネルギー（例えば、電圧Ｖ３）から測定サンプル４に印加された電圧Ｖ１又は電圧Ｖ２の電圧を引いたエネルギーレベルを持つ電子ビームの照射が行われる。なお、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２は同じ電圧としてもよい。また、電極３１を使用することにより、測定サンプル４とスイッチトキャパシタ電流増幅８とを配線接続する必要がなくなり、実用性が向上する。
【００４９】
［第７実施形態］
図７は、本発明の第７実施形態に係る電流測定装置を示す図である。なお図７において、図１から図６の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と上記第１から第６実施形態との主な相違点は、本実施形態では電子ビーム１２の照射タイミングを決定するスイッチＳ３（断続手段）を設けている点である。
【００５０】
このスイッチＳ３の表現は概念的な表現であり、電子源における電子ビーム１２の発生そのものを同期信号等に基づいたあるタイミングでオンオフする機能で、スイッチＳ３を実現してもよい。また、連続して放射される電子ビームの通り道にブランキング電極等の偏向手段を配置して、その偏向手段によって電子ビームブランキングを行うことで、スイッチＳ３を実現してもよい。
【００５１】
また、本実施形態では、電子ビーム１２のオンオフタイミングと、スイッチＳ１、Ｓ２のスイッチの動作から決定される電流の測定タイミングを同期させる同期手段（図示せず）を有することが好ましい。このようにすると、一種の同期アンプ（ロックインアンプ）を形成できる。同期アンプは、同期信号に同期した信号だけが増幅される狭帯域アンプを形成する。そのため、外部から測定系に入り込むノイズ（同期アンプの同期信号に非同期なノイズ）を減少させることができる。同期信号自身は本来の信号にとってはノイズとなるので、演算増幅器２１の出力部に設けたフィルター２２はこれら同期信号に同期したノイズを減少させるために適切な時定数を有するフィルターとする。なお、このフィルター２２自身も電子ビームのオンオフのタイミングと同期して動作する相関型のフィルターであってもよい。
【００５２】
これらにより、本実施形態によれば、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８などが同期アンプ（ロックインアンプ）として機能することができる。そこで、本実施形態によればさらにノイズの影響を抑えた高性能な電流測定装置を提供することができる。
【００５３】
［第８実施形態］
図８は、本発明の第８実施形態に係る電流測定装置を示す図である。なお、図８において、図１から図７の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第７実施形態との相違点は、本実施形態では電極３１を有している点である。
【００５４】
すなわち、本実施形態の電流測定装置では、測定対象となる測定サンプル４の近傍に電極３１を配置した構成に特徴がある。本電流測定装置は、図７に示す第７実施形態の電流測定装置と同様に、スイッチＳ３を用いて、電子ビーム１２を測定サンプル４に対してオンオフしながら照射（断続的に照射）し、その信号に同期してスイッチＳ１，Ｓ２をオンオフして電流を測定する。
【００５５】
このような構成により、図７に示した実施形態と同様な効果を奏するのみならず、測定サンプル４に基板電流測定用の配線を接続する必要がなくなり、実用性が高くなる。
【００５６】
［第９実施形態］
図９は、本発明の第９実施形態に係る電流測定装置を示す図である。なお、図９において、図１から図８の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第７実施形態との相違点は、本実施形態では電源（電圧源）５１および電源（増幅器用電圧源）５２を有している点である。
【００５７】
すなわち、本実施形態の電流測定装置は、電子ビーム照射をスイッチＳ３でオンオフしながら電流測定を行う構成と、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８に電圧Ｖ１、Ｖ２を加えて、測定サンプル４に加えられる実効的な電子ビームのエネルギーレベルを変化させる構成とに特徴がある。
【００５８】
このような構成により、電子ビーム１２のオンオフタイミングに同期しない信号は除去されるため、ＳＮ比が高くなる。また、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８にバイアス電圧を印加するため、測定サンプル４に加えられる電子ビーム１２の実効エネルギーが電圧Ｖ１又は電圧Ｖ２に比例して小さくなり、測定サンプル４に流れる電流についての測定感度が高くなる。
【００５９】
また、演算増幅器２１に加える電圧Ｖ１、Ｖ２は可変であり、電子ビーム１２のオンオフタイミングに同期して変化させることも可能である。例えば、測定終了後、測定サンプル４を本電流測定装置から取り出す際には、その測定サンプル４の電位を０ボルト（グランドレベル）にしておくことが、そのサンプル４へのダメージを避けるために重要である。このような測定サンプル４の取り出しの際には、スイッチＳ１を閉じて、電圧Ｖ１の電位をグランドレベルに変更することが好ましい。
【００６０】
［第１０実施形態］
図１０は、本発明の第１０実施形態に係る電流測定装置を示す図である。なお、図１０において、図１から図９の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第９実施形態との相違点は、本実施形態では電極３１を有している点である。
【００６１】
すなわち、本実施形態の電流測定装置では、電子ビーム照射をスイッチＳ３でオンオフしながら電流測定を行う構成と、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８に電圧Ｖ１、Ｖ２を加える構成と、測定サンプル４の近傍に電極３１を配置している構成とに特徴がある。電極３１は、直流的又は容量的に測定サンプル４と電気的に接続している。なお、測定サンプル４の裏面に酸化膜など絶縁膜が存在する場合には、電極３１はその測定サンプル４に容量的に接続される。
【００６２】
電極３１には、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８が接続されている。電子ビーム照射部にはスイッチＳ３が設けられており、電子ビーム１２の照射を外部からの制御信号によってオンオフすることが可能な構成となっている。
【００６３】
さらに、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８には電源５１、５２が設けられており、そのスイッチトキャパシタ電流増幅回路８のバイアス電位を変更できるように構成されている。この電源５１，５２により、電圧Ｖ１，Ｖ２を加えると、演算増幅器２１の働きにより、測定サンプル４の近傍に配置された電極３１の電位がその電位（電圧Ｖ１，Ｖ２）に等しくなる。一方、電極３１と測定サンプル４との間に形成される容量は非常に大きいので、測定サンプル４は電極３１の電位とほぼ同じ電位になる。
【００６４】
このような構成により、本実施形態の電流測定装置は、第９実施形態の電流測定装置が奏する効果に加えて、測定サンプル４に基板電流測定用の配線を接続する必要がなくなり実用性が高くなるという効果を奏することができる。
【００６５】
［第１１実施形態］
図１１は、本発明の第１１実施形態に係る電流測定装置を示す図である。なお、図１１において、図１から図１０の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第１０実施形態との相違点は、本実施形態ではＡ／Ｄコンバータ２３と、そのＡ／Ｄコンバータ２３などを内蔵する真空チャンバー７とを有している点である。
【００６６】
すなわち、本実施形態の電流測定装置では、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８の後にＡ／Ｄコンバータ２３を設けた構成に特徴がある。また、図１１において、破線で囲まれる部分は真空チャンバー７を示している。そして、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８による電流増幅からＡ／Ｄコンバータ２３によるアナログ／デジタル信号変換までを真空チャンバー７内で行う点にも特徴がある。スイッチトキャパシタ電流増幅回路８には電圧Ｖ１，Ｖ２が印加されており、電極３１を通じて測定サンプル４の電位を制御する。
【００６７】
また、Ａ／Ｄコンバータ２３によりデジタル信号に変換された測定信号は光ファイバー２４を通して外部コンピュータ２５に送信される。この場合、測定サンプル４の電流測定系は、電圧Ｖ１，Ｖ２のバイアス電圧により高電圧にバイアスされるが、光ファイバー２４等により、外部演算装置である外部コンピュータ２５とは電気的に切り離されている。したがって、本実施形態の電流測定装置は、特殊な電気絶縁アンプを介在することなく、電流測定系と外部コンピュータ２５との間で信号のやり取りを行うことができる。また、真空チャンバー７内部に配置されたスイッチトキャパシタ電流増幅回路８を電池などで駆動することにすれば、より効果的に絶縁でき、非常に容易に構成できる。
【００６８】
［第１２実施形態］
図１２は、本発明の第１２実施形態に係る電流測定装置を示す図である。本実施形態では、演算増幅器２１の出力端子と負入力端子の間にスイッチトキャパシタ回路を挿入したことに特徴がある。
【００６９】
すなわち、本実施形態の電流測定装置は、演算増幅器２１、コンデンサＣ２０、スイッチＳ１０，Ｓ２０及びフィルター２２を有して構成されている。演算増幅器２１の正入力端子は、グランドに接続されている。演算増幅器２１の負入力端子は、測定サンプル４に電気的に接続されている。また、演算増幅器２１における負入力端子と出力端子との間にコンデンサＣ２０が配置されている。そして、コンデンサＣ２０の一方端（演算増幅器２１の負入力端子）は、スイッチＳ１０を介してグランドに接続されている。コンデンサＣ２０の他方端（演算増幅器２１の正入力端子）は、スイッチＳ２０を介してグランドに接続されている。また、演算増幅器２１の出力は、フィルター２２によってノイズが除去される。
【００７０】
本実施形態の電流測定装置によれば、図１３に示すような従来例における抵抗器で構成されていたフィードバック抵抗器Ｒ１を、スイッチトキャパシタで置き換えている。したがって、従来例においてフィードバック抵抗器Ｒ１で発生していたノイズは、本実施形態では発生しない。次に本実施形態の動作について説明する。
【００７１】
測定サンプル４に電子ビーム１２を照射するとその測定サンプル１２に電流が生じる。その生じた電流は演算増幅器２１の負端子に導入される。演算増幅器２１では正入力端子と負入力端子とが同じ電位になるように動作する。そして、スイッチＳ１０とスイッチＳ２０との開閉を順次切り替えることにより、コンデンサＣ２０において前記の生じた電流による充放電を繰り返させる。
【００７２】
ここで、初期状態では、スイッチＳ１０，Ｓ２０が閉じられコンデンサ２０において電荷が空になっている。次いで、スイッチＳ１０，Ｓ２０を開放として、測定サンプル４に生じた電流がコンデンサＣ２０に蓄積される。このとき、コンデンサＣ２０を介して実質的に電流が流れる。この電流量はスイッチＳ１０，Ｓ２０の開閉動作速度（周期）に比例する。すなわり、コンデンサＣ２０及びスイッチＳ１０，Ｓ２０で構成される抵抗の値は、スイッチＳ１０，Ｓ２０の開閉周期で可変制御することができる。
【００７３】
以上、本発明の実施形態について説明したように、本発明によれば、非常に低ノイズでかつ広い周波数帯域を持つ微少電流測定が可能となる。そのため、同じ信号量の場合、例えば、測定速度が既存の電流測定装置と比較して１００倍以上速くなる。電流を多く流せば、さらに高速で電流を測定可能でメガヘルツよりも高い周波数の測定が可能となる。また、一度に高倍率増幅を行い、かつ、温度特性に左右されにくいので、良好な温度特性を得ることができる。
【００７４】
また、本発明によれば、電流測定からデジタル信号変換までを１つの半導体チップで実行可能となり、極めて小さな測定系を実現できる。また、真空チャンバー内でアナログ信号をデジタル信号に変換するようにすれば、非常にノイズに強い計測システムを実現できる。
【００７５】
また、本発明によれば、外部からスイッチトキャパシタ電流増幅回路にバイアス電圧を加えることで、測定対象サンプルの電位を制御することができる。これにより、照射電子ビームエネルギーの実効エネルギーを低下させることが可能となり、測定の感度を上げることができ、低エネルギーレベルの電子ビームにもかかわらず、フォーカスを絞ること、つまり、高解像度電子ビーム測定が可能になる。
【００７６】
また、本発明によれば、スイッチトキャパシタ電流増幅回路に高電圧を加えるだけで、照射電子ビームの実効エネルギーを下げることが可能となり、従来必要であった高圧部と通常電圧部を結ぶための複雑なアイソレーションアンプなどが不要になる。
【００７７】
また、本発明によれば、非常に低いエネルギーレベルを持つ電子ビームを基板電流測定に利用できる。低いエネルギーを有する電子ビームは、二次電子放出確率を向上させ、本測定の感度が高くなる。また、測定対象に対してダメージを与えない。
【００７８】
さらに、本発明によれば、電子ビーム源の設定を変えることなく電子ビームのエネルギーレベルを大きく変更できるので、高速で電子ビームのエネルギーレベルを変更できる。このため、電子ビームのエネルギーレベルを変更した後に同じ場所に電子ビーム照射することができ、異なるエネルギーレベルを持つ電子ビームを複数用いて基板電流を測定する場合に、測定精度を著しく向上できると共に、測定のスループットも向上する。
【００７９】
また、本発明によれば、１つの電子ビームエネルギーを設定するために、いろいろな組み合わせが使用できる。その結果、平均的には同じエネルギーレベルを持つ電子ビームのエネルギー分散状態や空間分布についての調節が可能なので、用途に応じてもっとも最適な組み合わせの電子ビームを選んで測定用電子ビームとすることができる。
【００８０】
なお、本発明の実施形態においては、電子ビームを測定サンプルに照射する例のみ示したが、同様の測定を行うために、光などの電磁波、イオンビーム、音波、振動などを電子ビームの代わりにプローブとして適用することも可能である。
【００８１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の電流測定装置は、上述及び図示例のみ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。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、電子ビーム等のプローブ照射により半導体基板などの測定サンプルに流れる電流を測定する際に、その電流を低ノイズでかつ広周波数帯域で測定できるので、本発明は、各種の電流測定装置および電流測定方法等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図６】本発明の第６実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図７】本発明の第７実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図８】本発明の第８実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図９】本発明の第９実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図１０】本発明の第１０実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図１１】本発明の第１１実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図１２】本発明の第１２実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図１３】従来の電流測定装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
１…電子ビーム源、２…コンデンサレンズ、３…対物レンズ、４…測定サンプル、５…トレイ、６…ＸＹステージ、７…真空チャンバー、８…スイッチトキャパシタ電流増幅回路、９…高圧電源、１０…アパーチャ、１１…電子銃、１２…電子ビーム、２１…演算増幅器、２２…フィルター、２３…Ａ／Ｄコンバータ、２４…光ファイバー、２５…外部コンピュータ、３１…電極、４１…電流測定回路、４２…加速電極、４３…加速電源、４４…バイアス電源、５１…電源、５２…電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流測定装置及び電流測定方法に関する。また、本発明は、電子ビーム、イオンビーム、電磁波、音波、振動などを利用して、半導体デバイス製造工程途中のプロセス評価を行うのに好適な電流測定装置及び電流測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビーム照射時に流れる基板電流を用いて半導体デバイスのプロセス良否を評価する方法として基板電流法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００３】
この方法は、例えばエッチングを終えた状態のウエハに対して、一定のエネルギーを持つ電子ビームを数秒の間、照射し、その時に生じる基板電流の大小あるいは極性からプロセスの状態を知る方法である。例えば電子ビームエネルギーとしては１ＫｅＶが利用され、電流量としては、ピコアンペア（ｐＡ）の大きさを用いる。
【０００４】
この方法では、プロセス結果が同じである場合、同じ基板電流が生じ、プロセス結果が異なる場合、異なった電流が生じることでプロセス状態を把握できる。また、プロセスの状態によってピコアンペアレベルの電流が変化し、その電流を測定することでプロセスが評価できる。
【特許文献１】特許第３３３４７５０号公報
【特許文献２】特許第３２９２１５９号公報
【特許文献３】特許第３１７５７６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
基板電流から精密な測定を行うためには、非常にノイズの小さな電流測定手段が必要である。従来は、ピコアンペア以下の電流を測定するために、図１３に示すように、低入力電流特性を持つ演算増幅器２１を選定し、かつ、フィードバック抵抗器Ｒ１に大きな抵抗値の抵抗器を用いていた。フィードバック抵抗器Ｒ１に大きな抵抗値のものを用いると、増幅率に対するホワイトノイズの増加割合を減らすことが出来るが、寄生容量に起因して測定可能な周波数帯域幅が狭くなるトレードオフの課題がある。このように、従来は高速で、かつ低ノイズの増幅を行うことは原理的に困難であった。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、電子ビーム等のプローブ照射により半導体基板等の測定サンプルに流れる微小電流を、低ノイズでかつ広周波数帯域で測定できる電流測定装置及び電流測定方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、測定感度と精度を向上させ、さらに基板電流等の測定における利便性を向上させることができる電流測定装置及び電流測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の電流測定装置は、電子ビーム等のプローブを測定サンプルに照射したときに、該測定サンプルに生じる電流を測定する手段を有する電流測定装置であって、前記測定サンプルに流れる電流について増幅する増幅回路として、スイッチトキャパシタ形式の増幅回路を有することを特徴とする。
本発明によれば、スイッチトキャパシタ形式の増幅回路におけるコンデンサは電荷を充放電することにより抵抗として機能する。その一方、このコンデンサは大きな抵抗値の現実の抵抗と異なり、いわゆる「ホワイトノイズ」を発生させない。したがって、本発明は、電子ビーム等のプローブ照射により半導体基板等の測定サンプルに流れる微小電流を、低ノイズでかつ広周波数帯域で測定することができる。
【０００８】
また、本発明の電流測定装置は、測定対象となる測定サンプルにプローブを照射するプローブ照射手段と、前記測定サンプルにプローブを照射したときに、該測定サンプルに流れた電流について電荷として蓄積する第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサに蓄積された電荷によって生じた電圧が印加される負入力端子と基準電圧が印加されている正入力端子とを有する演算増幅器と、一端が前記演算増幅器の負入力端子に接続されており、他端が該演算増幅器の出力端子に接続されている第２のコンデンサと、前記第１のコンデンサに蓄積された電荷を放電するスイッチと、前記スイッチの動作を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、第１のコンデンサ、演算増幅器、第２のコンデンサ、スイッチ及び制御手段がスイッチトキャパシタ形式の増幅回路として機能することができる。すなわち、第１及び第２のコンデンサは、スイッチの開閉により電荷を充放電して抵抗として機能する。その一方、第１及び第２のコンデンサは大きな抵抗値の現実の抵抗と異なり、いわゆる「ホワイトノイズ」を発生させない。したがって、本発明は、電子ビーム等のプローブ照射により半導体基板等の測定サンプルに流れる微小電流を、低ノイズでかつ広周波数帯域で測定することができる。
【０００９】
また、本発明の電流測定装置は、測定対象となる測定サンプルにプローブを照射するプローブ照射手段と、前記測定サンプルに容量結合している電極と、一端が前記電極に接続されている第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサの他端に接続されている負入力端子と基準電圧が印加されている正入力端子とを有する演算増幅器と、一端が前記演算増幅器の負入力端子に接続されており、他端が該演算増幅器の出力端子に接続されている第２のコンデンサと、前記第１のコンデンサに蓄積された電荷を放電するスイッチと、前記スイッチの動作を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、測定サンプルと電極が容量結合しているので、測定サンプルと電極とを直流的又は交流的に良好に接続することができる。測定サンプルに流れる電流について、電極を介して、第１のコンデンサに良好に充電することができる。さらに、第１のコンデンサ、演算増幅器、第２のコンデンサ、スイッチ及び制御手段がスイッチトキャパシタ形式の増幅回路として機能することができる。したがって、本発明は、電子ビーム等のプローブ照射により半導体基板等の測定サンプルに流れる微小電流を、さらに低ノイズでかつ広周波数帯域で測定することができる。また、本発明は、測定サンプルとスイッチトキャパシタ形式の増幅回路とを配線接続する必要がなく、実用性を高くすることができる。
【００１０】
また、本発明の電流測定装置は、測定対象となる測定サンプルにプローブを照射するプローブ照射手段と、前記測定サンプルに電気的に接続された負入力端子と基準電圧が印加されている正入力端子とを有する演算増幅器と、前記演算増幅器の負入力端子と出力端子との間に配置されている第１のコンデンサと、前記第１のコンデンサに蓄積された電荷を放電するスイッチと、前記スイッチの動作を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、第１のコンデンサ、演算増幅器、スイッチ及び制御手段がスイッチトキャパシタ形式の増幅回路として機能することができる。すなわち、第１のコンデンサはスイッチの開閉により電荷を充放電して、演算増幅器の帰還抵抗として機能する。その一方、第１のコンデンサは大きな抵抗値の現実の抵抗と異なり、いわゆる「ホワイトノイズ」を発生させない。したがって、本発明は、電子ビーム等のプローブ照射により半導体基板等の測定サンプルに流れる微小電流を、低ノイズでかつ広周波数帯域で測定することができる。
【００１１】
また、本発明の電流測定装置は、前記スイッチが、前記第１のコンデンサの一端に接続された第１のスイッチと、該第１のコンデンサの他端に接続された第２のスイッチとを有してなることを特徴とする。
本発明によれば、第１及び第２のスイッチを所定のタイミングで断続させることにより第１及び第２のコンデンサを抵抗として機能させることができる。
【００１２】
また、本発明の電流測定装置は、前記第１のスイッチにおける前記第１のコンデンサ側の端子とは逆側の端子と、前記第２のスイッチにおける前記第１のコンデンサ側の端子とは逆側の端子とに可変電圧を印加する電圧源を有することを特徴とする。
本発明によれば、例えば、プローブ照射手段から測定サンプルが受ける電子ビームのエネルギーと、電圧源からスイッチ等を介して測定サンプルに印加される電圧のエネルギーとの差が、測定サンプルが受ける実効電子ビームエネルギーとなる。これにより、例えば、プローブ照射手段から高エネルギーの電子ビームを測定サンプルに照射しても、測定サンプルが受ける実効電子ビームエネルギーを小さくすることができる。したがって、本発明は、このような電流測定において測定サンプルに与えるダメージを低減しながら、測定感度と精度を向上させ、さらに基板電流等の測定における利便性を向上させることができる。
【００１３】
また、本発明の電流測定装置は、前記増幅回路、又は前記演算増幅器の正入力端子に、基準電圧として可変電圧を印加する増幅器用電圧源を有することを特徴とする。
本発明によれば、例えば測定サンプルの電位と演算増幅器などの電位とを近づけることができる。したがって、本発明は、このような電流測定において測定サンプルに与えるダメージを低減しながら、測定感度と精度を向上させ、さらに基板電流等の測定における利便性を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明の電流測定装置は、前記プローブの照射を断続させる断続手段を有することを特徴とする。
また、本発明の電流測定装置は、前記断続手段が前記プローブの照射を断続させるタイミングと、前記スイッチトキャパシタ形式の増幅回路のコンデンサ、又は第１のコンデンサを充放電するタイミングと、を同期させる同期手段を有することを特徴とする。
本発明によれば、スイッチトキャパシタ形式の増幅回路などが同期アンプ（ロックインアンプ）として機能することができる。そこで、本発明は、その同期アンプが狭帯域アンプを形成し、ノイズを除去することができる。したがって、本発明は、さらにノイズの影響を抑えた高性能な電流測定装置を提供することができる。
【００１５】
また、本発明の電流測定装置は、前記増幅回路又は前記演算増幅器の出力をアナログ信号からデジタル信号に変換するコンバータと、前記測定サンプルに流れる電流について測定するときに、該測定サンプルと、前記増幅回路又は前記演算増幅器と、前記コンバータとが少なくとも入れられる真空チャンバとを有することを特徴とする。
本発明によれば、測定サンプルを流れる電流についてデジタル信号にするまでを、真空チャンバ内で実行することができる。ここで、スイッチトキャパシタ形式の増幅回路などは電池で駆動する構成としてもよい。
【００１６】
また、本発明の電流測定装置は、前記プローブとして、電子ビーム、イオンビーム、電磁波、音波、振動のうちの少なくとも１つを前記測定サンプルに照射する照射手段を有することを特徴とする。
本発明によれば、例えばプローブと測定サンプルとを非接触状態としながら測定サンプルに電流を流すことができる。したがって、測定サンプルについての製造工程途中のプロセス評価などを、高精度に行うことができる。
【００１７】
また、本発明の電流測定方法は、電子ビーム等のプローブを測定サンプルに照射し、該測定サンプルに生じる電流を測定する電流測定方法であって、前記測定サンプルに流れる電流について、スイッチトキャパシタ形式の増幅回路により増幅することを特徴とする。
本発明によれば、スイッチトキャパシタ形式の増幅回路を用いて、測定サンプルに生じる電流を測定するので、電子ビーム等のプローブ照射により半導体基板等の測定サンプルに流れる微小電流を、低ノイズでかつ広周波数帯域で測定することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の電流測定装置及び電流測定方法においては、測定サンプルに生じた電流について、スイッチトキャパシタ形式の増幅回路で増幅するので、電子ビーム等のプローブ照射により半導体基板等の測定サンプルに流れる微小電流を、低ノイズでかつ広周波数帯域で測定することができる。
【００１９】
また、外部からスイッチトキャパシタ形式の増幅回路にバイアス電圧などを印加することで、測定サンプルの電位を制御し、その測定サンプルが受ける照射電子ビーム等の実効エネルギーを低下させることが容易に行え、測定感度を向上させることができる。
【００２０】
さらに、電子ビーム源などの設定を変えることなく電子ビームなどのエネルギーレベルを大きく変更できるので、高速で電子ビームのエネルギーレベルを変更できる。このため、電子ビームのエネルギーレベルを変更した後に同じ場所に電子ビーム照射することができ、複数のエネルギーレベルを持つ電子ビームを用いて基板電流を測定する場合に、測定精度を著しく向上できると共に、測定のスループットが向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
次に本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る電流測定装置の全体構成例を示す図である。本実施形態の電流測定装置は、電子ビーム源１と、トレイ５と、ＸＹステージ６と、真空チャンバー７と、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８と、高圧電源９と、電子銃１１とを有して構成されている。電子銃１１は、コンデンサレンズ２、対物レンズ３、アパーチャ１０からなる。
【００２２】
電子ビーム源（プローブ照射手段）１は、一定のエネルギーで電子ビーム（プローブ）１２を放出するものである。真空チャンバー７は、電子ビーム１２が放出できるように雰囲気制御するためのものである。そして、真空チャンバー７内には、電子ビーム１２が照射され測定対象となる測定サンプル４と、トレイ５と、ＸＹステージ６とが配置されている。高圧電源９は、電子銃１１が所望のエネルギーレベルを有した電子ビーム１２を発生するために必要な高圧を、その電子銃１１に加えるものである。また、本電流測定装置には、電子ビーム１２を偏向するための電圧を制御する制御電源（図示せず）が備えられている。
【００２３】
また、測定サンプル４は、測定対象となるものであり、半導体デバイス製造工程の途中における半導体基板などが該当する。トレイ５は、測定サンプル４を支持すると共に、測定サンプル４に流れる基板電流を集めるための電極としても機能するものである。ＸＹステージ６は、電子ビーム１２を所望の場所に照射するための位置決め機構である。ＸＹステージ６には、ボールネジを使用したものやセラミック振動を利用したものなどが適用できる。より精密に位置合わせを行うためには、光学顕微鏡あるいは電子ビーム１２の照射時に得られる二次電子画像を利用してパターンマッチングを行う方法を、位置決め機構として適用してもよい。
【００２４】
スイッチトキャパシタ電流増幅回路８は、測定サンプル４へ電子ビーム１２が照射された時に、その測定サンプル４に生じる電流を測定するためのスイッチトキャパシタ形式の増幅回路である。スイッチトキャパシタ電流増幅回路８は、トレイ（電極）５を介して測定サンプル４に接続されている。
【００２５】
本実施形態においては、測定サンプル４に電子ビーム１２が照射されたとき、その測定サンプル４に生じる微小電流を、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８が増幅することができる。これにより、本実施形態によれば、測定サンプル４について、非常に低ノイズでかつ広い周波数帯域を持つ微少電流測定が可能となる。
【００２６】
［第２実施形態］
図２は、本発明の第２実施形態に係る電流測定装置を示す回路図である。すなわち、図２では、電子ビーム１２の照射により測定サンプル４に生じる電流を増幅するスイッチトキャパシタ電流増幅回路８の構成例を示している。本実施形態は、図１に示す第１実施形態の電流測定装置におけるスイッチトキャパシタ電流増幅回路８の具体的な構成例とみることができる。したがって、本実施形態の電流測定装置は、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８以外は、第１実施形態の電流測定装置と同一とすることもできる。
【００２７】
スイッチトキャパシタ電流増幅回路８は電流信号を電圧信号に変換する。そして、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８は、コンデンサＣ１，Ｃ２と、スイッチＳ１，Ｓ２と、演算増幅器２１と、フィルター２２とを有して構成されている。スイッチトキャパシタ電流増幅回路８は、通常の演算増幅器回路で使用される抵抗器を、コンデンサＣ１，Ｃ２とスイッチＳ１，Ｓ２で置き換えた回路である。
【００２８】
そして、コンデンサＣ２は、測定サンプル４に電子ビーム１２を照射したときに、その測定サンプル４に流れた電流について電荷として蓄積する第１のコンデンサをなしている。演算増幅器２１は、コンデンサＣ２に蓄積された電荷によって生じた電圧が印加される負入力端子とグランド電位が印加されている正入力端子とを有する演算増幅器である。コンデンサＣ１は、一端が演算増幅器２１の負入力端子に接続されており、他端が演算増幅器２１の出力端子に接続されている第２のコンデンサをなしている。また、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８は、スイッチＳ１，Ｓ２の動作を制御する制御手段（図示せず）を有している。また、スイッチＳ１，Ｓ２は例えばＭＯＳトランジスタで構成することができる。
【００２９】
抵抗器は、ある電圧を加えたときに流れる電流を規制する部品である。その関係は、抵抗値Ｒの抵抗器の両端に加える電圧をＥとして流れる電流はＩ＝Ｅ／Ｒで与えられる。一方、これと同じ機能は、一回のコンデンサに蓄積される電荷を何回充放電するかで実現できる。つまり、Ｉ＝ＣＶ×Ｎ＝Ｑ×Ｎの関係が成立する。ここで、Ｃはコンデンサ容量、Ｖはコンデンサの両端の電圧、Ｎは単位時間当たりのスイッチングの回数、Ｑはコンデンサに蓄積される電荷量である。
【００３０】
一般に、抵抗器は抵抗器値が大きくなるにつれ電気伝導に関わる電子数が減少する。従って、電気抵抗器値が大きくなると伝導電子の個数が少なくなることによる揺らぎが生じる。この揺らぎは、ホワイトノイズとして知られており、抵抗値を大きくすれば、それに比例して大きくなる性質がある。一方、コンデンサは単なる金属の対であり、金属の中には大量の伝導電子が存在し、揺らぎによるノイズはきわめて小さい。また電流は変位電流によって伝わる。従って、電流を運ぶための電子が直接的には関与せず、ノイズを発生しない。スイッチをオンオフする際にはノイズが発生するが、そのノイズは既知の周期を有するパルス性のノイズなので、容易にフィルター２２を利用して除去することが可能である。
【００３１】
スイッチトキャパシタ電流増幅回路８は、コンデンサとスイッチからなる等価抵抗器の大きさで決まる電流電圧変換能力を持つ。例えば、コンデンサＣ１とコンデンサＣ２に１ｐＦのコンデンサを用いたとする。そして、１ｐＡの電流が演算増幅器２１に流入すると、先ず、スイッチＳ１（第１のスイッチ）は開、スイッチＳ２（第２のスイッチ）は閉の状態として、コンデンサＣ２に電荷を蓄積する。
【００３２】
その結果、コンデンサＣ２の両端には１Ｖの電位差が生じる。次の瞬間スイッチＳ１を閉、スイッチＳ２を開とする。その結果、演算増幅器２１の負入力端子には、１Ｖの逆電圧が加えられる。演算増幅器２１は正負の入力端の電位差を０にするように働くので、演算増幅器２１の出力端には１Ｖの出力が現れる。つまり、１ｐＡという非常に小さな電流が１Ｖという大きな電圧に変換される。半導体デバイスの中に小さな容量を作るのは容易なので、１ｐＦよりも小さな容量をコンデンサＣ２として適用することも容易である。もし、コンデンサＣ２を０．１ｐＦ、コンデンサＣ１を１ｐＦとすれば、１００ｆＡの電流入力があったときに１Ｖの出力を得ることができる。なお、スイッチＳ１、Ｓ２をオンオフする発生するノイズは、フィルター２２により除去する。
【００３３】
これらにより、本実施形態の電流測定装置によれば、非常に低ノイズでかつ広い周波数帯域を持つ微少電流測定が可能となる。そのため、本実施形態の電流測定装置は、同じ信号量の場合、例えば、測定速度が従来の電流測定装置（図１２参照）と比較して１００倍以上速くなる。また、電流をより多く流せば、さらに高速で電流を測定することが可能となり、メガヘルツよりも高い周波数の測定が可能となる。また、一度に高倍率増幅を行いかつ、温度特性に左右されにくいので、良好な温度特性を得ることができる。
【００３４】
［第３実施形態］
図３は、本発明の第３実施形態に係る電流測定装置を示す回路図である。本実施形態と第２実施形態との相違点は、本実施形態では電極３１を有している点である。
【００３５】
すなわち、本実施形態の電流測定装置では、測定サンプル４の下に、その測定サンプル４との間で容量結合するプレート状の電極３１が付設されている。そして、測定サンプル４と電極３１との間は、直流的又は交流的に接続されている。この電極３１は、測定サンプル４の裏面にあってもよいし、測定サンプル４の表面又は側面にあってもかまわない。電極３１を測定サンプル４の裏面に配置した場合、電極３１は測定サンプル４とほぼ同じ大きさを有することとして、非常に大きな容量を形成することができる。ここで、非常に大きな容量とは、例えば、測定サンプル４と電流測定装置の筐体との寄生容量等に比較して、非常に大きな容量という意味である。
【００３６】
本実施形態の電流測定装置は、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８が電極３１に電気的に接続されており、電極３１に集められた電流を測定することに特徴がある。つまり、本実施形態によれば、測定サンプル４とスイッチトキャパシタ電流増幅回路８とを配線接続する必要がなく、実用性が高くなる。
【００３７】
［第４実施形態］
図４は、本発明の第４実施形態に係る電流測定装置の全体構成例を示す図である。本実施形態の電流測定装置は、第１から第３実施形態のスイッチトキャパシタ電流増幅回路８に相当する電流測定回路４１を有するとともに、その電流測定回路４１にバイアス電圧を印加するバイアス電源４４を有していることが特徴の一つである。なお、図４において、図１から図３の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。
【００３８】
光学の原理によれば、物体を見分ける指標となる空間分解能は利用する光の波長と同等程度であることが分かっている。電子ビームは波長が非常に短いことが特徴である。例えば単色の１００ｅＶの電子ビームでさえ波長は１オングストロームよりもはるかに短い。しかしながら、実際に発生し得る電子ビームは大きなエネルギーの分散をもち、波長がわずかずつ異なった電子ビームの集合体であるため、電子ビームのエネルギーから想定されるよりもはるかに低い空間分解能しか得ることができない。電子ビームを用いた電流測定装置では、デバイス（測定サンプル４）へのダメージや感度の向上を目的として、低エネルギーでかつ、エネルギーの良く揃った電子ビームが必要とされる。
【００３９】
図４に示す本実施形態の電流測定装置は、相対的に、低エネルギーでかつエネルギーの良く揃った電子ビームを得ることができる。本実施形態では、加速電極４２と加速電源４３を用いて、電子ビーム源１から飛び出た電子ビームを一旦非常に高いエネルギーの状態にする。この状態で非常に小さな円筒形のアパーチャ１０を通過させ、エネルギーの揃っている部分だけを取り出す。その後、何らかの方法で実効的な電子ビーム照射エネルギーを下げる方法が利用される。
【００４０】
例えば、電子ビーム１２を一旦加速電極４２により５ｋＶ程度までエネルギーを増加させる。アパーチャ１０は、数ミクロンの大きさを有しており、一種のエネルギーフィルターを構成する。電子ビーム源１から放出される電子ビームは、チップと呼ばれる電子ビーム放出電極の先端部分から放出される。放出される領域は数百オングストロームの範囲と小さな領域ではあるが、放出される場所によって電子ビームエネルギーに差が生じている。この差が生じると、電子ビームをフォーカスした際に、収差が生じて異なった場所に焦点を結ぶため、像がぼけてしまう原因となる。これらは、空間分解能を低下させ測定精度を悪化する原因になる。
【００４１】
小さなアパーチャ１０に電子ビーム１２を照射すると電子ビーム１２のエネルギーレベルが揃っている中心部のみが通過し、電子ビーム源１から電子ビーム１２が放出された時のエネルギー分散に比べ非常に小さな分散を持つようになる。このような状態の電子ビーム１２は電子ビームエネルギーが低くても良いフォーカスを実現できる。その後、バイアス電源４４により電流測定回路４１に加えられた、例えば４．９ｋＶというようなバイアス電圧により、サンプルに実際に照射される電子ビームエネルギーは１００ｅＶと小さなものになる。しかしながら、この電子ビームは非常にエネルギーが揃っており、ビームがシャープにフォーカスするようになる。なお、電流測定回路４１は、先に説明したスイッチトキャパシタ電流増幅回路８と同様の回路であり、バイアス電源４４を含む回路構成については、後の実施形態で説明する。
【００４２】
これらにより、本実施形態の電流測定装置によれば、バイアス電源４４を設けているので、照射電子ビームエネルギーの実効エネルギーを低下させることが可能となり、測定の感度を向上させることができる。したがって、本電流測定装置は、測定サンプル４へのダメージを大幅に低減させるような、低エネルギーレベルの電子ビームにかかわらず、フォーカスを絞ることができる。また、電流測定回路４１に高電圧を加えるだけで、照射電子ビームの実効エネルギーを下げることが可能となり、従来必要であった高圧部と通常電圧部を結ぶための複雑なアイソレーションアンプなどが不要になる。
【００４３】
［第５実施形態］
図５は、本発明の第５実施形態に係る電流測定装置を示す図である。なお図５において図１から図４の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態は、測定サンプル４に接続されたスイッチトキャパシタ電流増幅回路８にバイアス電圧を加えるための電源（電圧源）５１および電源（増幅器用電圧源）５２を設けた構成に特徴がある。
【００４４】
この電源５１、５２は、可変電圧電源であり、出力電圧Ｖ１，Ｖ２を変化させることにより、測定サンプル４の表面の実効電子ビームエネルギーを電圧Ｖ１、Ｖ２に比例して変化させることができる。つまり、電子ビーム照射エネルギー（例えば、電圧Ｖ３）から、測定サンプル４に印加されたＶ１又はＶ２の電圧を引いたエネルギーレベルが、測定サンプル４の表面の実効電子ビームエネルギーとなる。
【００４５】
このように、本実施形態によれば、外部からスイッチトキャパシタ電流増幅回路８にバイアス電圧を加えることで、測定サンプル４の電位を制御することができ、照射電子ビームエネルギーの実効エネルギーを低下させることができ、測定の感度を上げることができる。また、本実施形態によれば、電子ビーム源１の設定を変えないで、電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ２のいずれかを変えることにより、電子ビームのエネルギーレベルを大きく変更することができる。また、電子ビーム１２のエネルギーレベルを変更した後に同じ場所に電子ビーム照射できるので、異なるエネルギーレベルの電子ビームを複数用いて測定する場合に測定精度が著しく向上し、また、測定のスループットも向上する。
【００４６】
［第６実施形態］
図６は、本発明の第６実施形態に係る電流測定装置を示す図である。なお図６において、図１から図５の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第５実施形態との相違点は、本実施形態では電極３１を有している点である。
【００４７】
すなわち、本実施形態の電流測定装置では、測定対象となる測定サンプル４に隣接してプレート状の電極３１を設けた構成に特徴がある。測定系に存在する容量成分は、電極３１と測定サンプル４との間にできた容量と、測定サンプル４と電流測定装置の筺体間に生じる寄生容量が主な成分となる。この中で、測定サンプル４と電極３１の間に生じる容量は圧倒的にほかの容量と比較して大きい。これにより、測定サンプル４を直接バイアスしていないにも関わらず、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８に加えた電圧Ｖ１又はＶ２によって照射電子ビームの実効エネルギーを変化させることが可能となる。
【００４８】
測定サンプル４に対して、電子ビーム照射エネルギー（例えば、電圧Ｖ３）から測定サンプル４に印加された電圧Ｖ１又は電圧Ｖ２の電圧を引いたエネルギーレベルを持つ電子ビームの照射が行われる。なお、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２は同じ電圧としてもよい。また、電極３１を使用することにより、測定サンプル４とスイッチトキャパシタ電流増幅８とを配線接続する必要がなくなり、実用性が向上する。
【００４９】
［第７実施形態］
図７は、本発明の第７実施形態に係る電流測定装置を示す図である。なお図７において、図１から図６の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と上記第１から第６実施形態との主な相違点は、本実施形態では電子ビーム１２の照射タイミングを決定するスイッチＳ３（断続手段）を設けている点である。
【００５０】
このスイッチＳ３の表現は概念的な表現であり、電子源における電子ビーム１２の発生そのものを同期信号等に基づいたあるタイミングでオンオフする機能で、スイッチＳ３を実現してもよい。また、連続して放射される電子ビームの通り道にブランキング電極等の偏向手段を配置して、その偏向手段によって電子ビームブランキングを行うことで、スイッチＳ３を実現してもよい。
【００５１】
また、本実施形態では、電子ビーム１２のオンオフタイミングと、スイッチＳ１、Ｓ２のスイッチの動作から決定される電流の測定タイミングを同期させる同期手段（図示せず）を有することが好ましい。このようにすると、一種の同期アンプ（ロックインアンプ）を形成できる。同期アンプは、同期信号に同期した信号だけが増幅される狭帯域アンプを形成する。そのため、外部から測定系に入り込むノイズ（同期アンプの同期信号に非同期なノイズ）を減少させることができる。同期信号自身は本来の信号にとってはノイズとなるので、演算増幅器２１の出力部に設けたフィルター２２はこれら同期信号に同期したノイズを減少させるために適切な時定数を有するフィルターとする。なお、このフィルター２２自身も電子ビームのオンオフのタイミングと同期して動作する相関型のフィルターであってもよい。
【００５２】
これらにより、本実施形態によれば、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８などが同期アンプ（ロックインアンプ）として機能することができる。そこで、本実施形態によればさらにノイズの影響を抑えた高性能な電流測定装置を提供することができる。
【００５３】
［第８実施形態］
図８は、本発明の第８実施形態に係る電流測定装置を示す図である。なお、図８において、図１から図７の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第７実施形態との相違点は、本実施形態では電極３１を有している点である。
【００５４】
すなわち、本実施形態の電流測定装置では、測定対象となる測定サンプル４の近傍に電極３１を配置した構成に特徴がある。本電流測定装置は、図７に示す第７実施形態の電流測定装置と同様に、スイッチＳ３を用いて、電子ビーム１２を測定サンプル４に対してオンオフしながら照射（断続的に照射）し、その信号に同期してスイッチＳ１，Ｓ２をオンオフして電流を測定する。
【００５５】
このような構成により、図７に示した実施形態と同様な効果を奏するのみならず、測定サンプル４に基板電流測定用の配線を接続する必要がなくなり、実用性が高くなる。
【００５６】
［第９実施形態］
図９は、本発明の第９実施形態に係る電流測定装置を示す図である。なお、図９において、図１から図８の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第７実施形態との相違点は、本実施形態では電源（電圧源）５１および電源（増幅器用電圧源）５２を有している点である。
【００５７】
すなわち、本実施形態の電流測定装置は、電子ビーム照射をスイッチＳ３でオンオフしながら電流測定を行う構成と、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８に電圧Ｖ１、Ｖ２を加えて、測定サンプル４に加えられる実効的な電子ビームのエネルギーレベルを変化させる構成とに特徴がある。
【００５８】
このような構成により、電子ビーム１２のオンオフタイミングに同期しない信号は除去されるため、ＳＮ比が高くなる。また、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８にバイアス電圧を印加するため、測定サンプル４に加えられる電子ビーム１２の実効エネルギーが電圧Ｖ１又は電圧Ｖ２に比例して小さくなり、測定サンプル４に流れる電流についての測定感度が高くなる。
【００５９】
また、演算増幅器２１に加える電圧Ｖ１、Ｖ２は可変であり、電子ビーム１２のオンオフタイミングに同期して変化させることも可能である。例えば、測定終了後、測定サンプル４を本電流測定装置から取り出す際には、その測定サンプル４の電位を０ボルト（グランドレベル）にしておくことが、そのサンプル４へのダメージを避けるために重要である。このような測定サンプル４の取り出しの際には、スイッチＳ１を閉じて、電圧Ｖ１の電位をグランドレベルに変更することが好ましい。
【００６０】
［第１０実施形態］
図１０は、本発明の第１０実施形態に係る電流測定装置を示す図である。なお、図１０において、図１から図９の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第９実施形態との相違点は、本実施形態では電極３１を有している点である。
【００６１】
すなわち、本実施形態の電流測定装置では、電子ビーム照射をスイッチＳ３でオンオフしながら電流測定を行う構成と、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８に電圧Ｖ１、Ｖ２を加える構成と、測定サンプル４の近傍に電極３１を配置している構成とに特徴がある。電極３１は、直流的又は容量的に測定サンプル４と電気的に接続している。なお、測定サンプル４の裏面に酸化膜など絶縁膜が存在する場合には、電極３１はその測定サンプル４に容量的に接続される。
【００６２】
電極３１には、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８が接続されている。電子ビーム照射部にはスイッチＳ３が設けられており、電子ビーム１２の照射を外部からの制御信号によってオンオフすることが可能な構成となっている。
【００６３】
さらに、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８には電源５１、５２が設けられており、そのスイッチトキャパシタ電流増幅回路８のバイアス電位を変更できるように構成されている。この電源５１，５２により、電圧Ｖ１，Ｖ２を加えると、演算増幅器２１の働きにより、測定サンプル４の近傍に配置された電極３１の電位がその電位（電圧Ｖ１，Ｖ２）に等しくなる。一方、電極３１と測定サンプル４との間に形成される容量は非常に大きいので、測定サンプル４は電極３１の電位とほぼ同じ電位になる。
【００６４】
このような構成により、本実施形態の電流測定装置は、第９実施形態の電流測定装置が奏する効果に加えて、測定サンプル４に基板電流測定用の配線を接続する必要がなくなり実用性が高くなるという効果を奏することができる。
【００６５】
［第１１実施形態］
図１１は、本発明の第１１実施形態に係る電流測定装置を示す図である。なお、図１１において、図１から図１０の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第１０実施形態との相違点は、本実施形態ではＡ／Ｄコンバータ２３と、そのＡ／Ｄコンバータ２３などを内蔵する真空チャンバー７とを有している点である。
【００６６】
すなわち、本実施形態の電流測定装置では、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８の後にＡ／Ｄコンバータ２３を設けた構成に特徴がある。また、図１１において、破線で囲まれる部分は真空チャンバー７を示している。そして、スイッチトキャパシタ電流増幅回路８による電流増幅からＡ／Ｄコンバータ２３によるアナログ／デジタル信号変換までを真空チャンバー７内で行う点にも特徴がある。スイッチトキャパシタ電流増幅回路８には電圧Ｖ１，Ｖ２が印加されており、電極３１を通じて測定サンプル４の電位を制御する。
【００６７】
また、Ａ／Ｄコンバータ２３によりデジタル信号に変換された測定信号は光ファイバー２４を通して外部コンピュータ２５に送信される。この場合、測定サンプル４の電流測定系は、電圧Ｖ１，Ｖ２のバイアス電圧により高電圧にバイアスされるが、光ファイバー２４等により、外部演算装置である外部コンピュータ２５とは電気的に切り離されている。したがって、本実施形態の電流測定装置は、特殊な電気絶縁アンプを介在することなく、電流測定系と外部コンピュータ２５との間で信号のやり取りを行うことができる。また、真空チャンバー７内部に配置されたスイッチトキャパシタ電流増幅回路８を電池などで駆動することにすれば、より効果的に絶縁でき、非常に容易に構成できる。
【００６８】
［第１２実施形態］
図１２は、本発明の第１２実施形態に係る電流測定装置を示す図である。本実施形態では、演算増幅器２１の出力端子と負入力端子の間にスイッチトキャパシタ回路を挿入したことに特徴がある。
【００６９】
すなわち、本実施形態の電流測定装置は、演算増幅器２１、コンデンサＣ２０、スイッチＳ１０，Ｓ２０及びフィルター２２を有して構成されている。演算増幅器２１の正入力端子は、グランドに接続されている。演算増幅器２１の負入力端子は、測定サンプル４に電気的に接続されている。また、演算増幅器２１における負入力端子と出力端子との間にコンデンサＣ２０が配置されている。そして、コンデンサＣ２０の一方端（演算増幅器２１の負入力端子）は、スイッチＳ１０を介してグランドに接続されている。コンデンサＣ２０の他方端（演算増幅器２１の正入力端子）は、スイッチＳ２０を介してグランドに接続されている。また、演算増幅器２１の出力は、フィルター２２によってノイズが除去される。
【００７０】
本実施形態の電流測定装置によれば、図１３に示すような従来例における抵抗器で構成されていたフィードバック抵抗器Ｒ１を、スイッチトキャパシタで置き換えている。したがって、従来例においてフィードバック抵抗器Ｒ１で発生していたノイズは、本実施形態では発生しない。次に本実施形態の動作について説明する。
【００７１】
測定サンプル４に電子ビーム１２を照射するとその測定サンプル１２に電流が生じる。その生じた電流は演算増幅器２１の負端子に導入される。演算増幅器２１では正入力端子と負入力端子とが同じ電位になるように動作する。そして、スイッチＳ１０とスイッチＳ２０との開閉を順次切り替えることにより、コンデンサＣ２０において前記の生じた電流による充放電を繰り返させる。
【００７２】
ここで、初期状態では、スイッチＳ１０，Ｓ２０が閉じられコンデンサ２０において電荷が空になっている。次いで、スイッチＳ１０，Ｓ２０を開放として、測定サンプル４に生じた電流がコンデンサＣ２０に蓄積される。このとき、コンデンサＣ２０を介して実質的に電流が流れる。この電流量はスイッチＳ１０，Ｓ２０の開閉動作速度（周期）に比例する。すなわり、コンデンサＣ２０及びスイッチＳ１０，Ｓ２０で構成される抵抗の値は、スイッチＳ１０，Ｓ２０の開閉周期で可変制御することができる。
【００７３】
以上、本発明の実施形態について説明したように、本発明によれば、非常に低ノイズでかつ広い周波数帯域を持つ微少電流測定が可能となる。そのため、同じ信号量の場合、例えば、測定速度が既存の電流測定装置と比較して１００倍以上速くなる。電流を多く流せば、さらに高速で電流を測定可能でメガヘルツよりも高い周波数の測定が可能となる。また、一度に高倍率増幅を行い、かつ、温度特性に左右されにくいので、良好な温度特性を得ることができる。
【００７４】
また、本発明によれば、電流測定からデジタル信号変換までを１つの半導体チップで実行可能となり、極めて小さな測定系を実現できる。また、真空チャンバー内でアナログ信号をデジタル信号に変換するようにすれば、非常にノイズに強い計測システムを実現できる。
【００７５】
また、本発明によれば、外部からスイッチトキャパシタ電流増幅回路にバイアス電圧を加えることで、測定対象サンプルの電位を制御することができる。これにより、照射電子ビームエネルギーの実効エネルギーを低下させることが可能となり、測定の感度を上げることができ、低エネルギーレベルの電子ビームにもかかわらず、フォーカスを絞ること、つまり、高解像度電子ビーム測定が可能になる。
【００７６】
また、本発明によれば、スイッチトキャパシタ電流増幅回路に高電圧を加えるだけで、照射電子ビームの実効エネルギーを下げることが可能となり、従来必要であった高圧部と通常電圧部を結ぶための複雑なアイソレーションアンプなどが不要になる。
【００７７】
また、本発明によれば、非常に低いエネルギーレベルを持つ電子ビームを基板電流測定に利用できる。低いエネルギーを有する電子ビームは、二次電子放出確率を向上させ、本測定の感度が高くなる。また、測定対象に対してダメージを与えない。
【００７８】
さらに、本発明によれば、電子ビーム源の設定を変えることなく電子ビームのエネルギーレベルを大きく変更できるので、高速で電子ビームのエネルギーレベルを変更できる。このため、電子ビームのエネルギーレベルを変更した後に同じ場所に電子ビーム照射することができ、異なるエネルギーレベルを持つ電子ビームを複数用いて基板電流を測定する場合に、測定精度を著しく向上できると共に、測定のスループットも向上する。
【００７９】
また、本発明によれば、１つの電子ビームエネルギーを設定するために、いろいろな組み合わせが使用できる。その結果、平均的には同じエネルギーレベルを持つ電子ビームのエネルギー分散状態や空間分布についての調節が可能なので、用途に応じてもっとも最適な組み合わせの電子ビームを選んで測定用電子ビームとすることができる。
【００８０】
なお、本発明の実施形態においては、電子ビームを測定サンプルに照射する例のみ示したが、同様の測定を行うために、光などの電磁波、イオンビーム、音波、振動などを電子ビームの代わりにプローブとして適用することも可能である。
【００８１】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の電流測定装置は、上述及び図示例のみ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。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、電子ビーム等のプローブ照射により半導体基板などの測定サンプルに流れる電流を測定する際に、その電流を低ノイズでかつ広周波数帯域で測定できるので、本発明は、各種の電流測定装置および電流測定方法等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図６】本発明の第６実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図７】本発明の第７実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図８】本発明の第８実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図９】本発明の第９実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図１０】本発明の第１０実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図１１】本発明の第１１実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図１２】本発明の第１２実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図１３】従来の電流測定装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
１…電子ビーム源、２…コンデンサレンズ、３…対物レンズ、４…測定サンプル、５…トレイ、６…ＸＹステージ、７…真空チャンバー、８…スイッチトキャパシタ電流増幅回路、９…高圧電源、１０…アパーチャ、１１…電子銃、１２…電子ビーム、２１…演算増幅器、２２…フィルター、２３…Ａ／Ｄコンバータ、２４…光ファイバー、２５…外部コンピュータ、３１…電極、４１…電流測定回路、４２…加速電極、４３…加速電源、４４…バイアス電源、５１…電源、５２…電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビーム等のプローブを測定サンプルに照射したときに、該測定サンプルに生じる電流を測定する手段を有する電流測定装置であって、
前記測定サンプルに流れる電流について増幅する増幅回路として、スイッチトキャパシタ形式の増幅回路を有することを特徴とする電流測定装置。
【請求項２】
測定対象となる測定サンプルにプローブを照射するプローブ照射手段と、
前記測定サンプルにプローブを照射したときに、該測定サンプルに流れた電流について電荷として蓄積する第１のコンデンサと、
前記第１のコンデンサに蓄積された電荷によって生じた電圧が印加される負入力端子と基準電圧が印加されている正入力端子とを有する演算増幅器と、
一端が前記演算増幅器の負入力端子に接続されており、他端が該演算増幅器の出力端子に接続されている第２のコンデンサと、
前記第１のコンデンサに蓄積された電荷を放電するスイッチと、
前記スイッチの動作を制御する制御手段とを有することを特徴とする電流測定装置。
【請求項３】
測定対象となる測定サンプルにプローブを照射するプローブ照射手段と、
前記測定サンプルに容量結合している電極と、
一端が前記電極に接続されている第１のコンデンサと、
前記第１のコンデンサの他端に接続されている負入力端子と基準電圧が印加されている正入力端子とを有する演算増幅器と、
一端が前記演算増幅器の負入力端子に接続されており、他端が該演算増幅器の出力端子に接続されている第２のコンデンサと、
前記第１のコンデンサに蓄積された電荷を放電するスイッチと、
前記スイッチの動作を制御する制御手段とを有することを特徴とする電流測定装置。
【請求項４】
測定対象となる測定サンプルにプローブを照射するプローブ照射手段と、
前記測定サンプルに電気的に接続された負入力端子と基準電圧が印加されている正入力端子とを有する演算増幅器と、
前記演算増幅器の負入力端子と出力端子との間に配置されている第１のコンデンサと、
前記第１のコンデンサに蓄積された電荷を放電するスイッチと、
前記スイッチの動作を制御する制御手段とを有することを特徴とする電流測定装置。
【請求項５】
前記スイッチは、前記第１のコンデンサの一端に接続された第１のスイッチと、該第１のコンデンサの他端に接続された第２のスイッチとを有してなることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の電流測定装置。
【請求項６】
前記第１のスイッチにおける前記第１のコンデンサ側の端子とは逆側の端子と、前記第２のスイッチにおける前記第１のコンデンサ側の端子とは逆側の端子とに可変電圧を印加する電圧源を有することを特徴とする請求項５に記載の電流測定装置。
【請求項７】
前記増幅回路、又は前記演算増幅器の正入力端子に、基準電圧として可変電圧を印加する増幅器用電圧源を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電流測定装置。
【請求項８】
前記プローブの照射を断続させる断続手段を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電流測定装置。
【請求項９】
前記断続手段が前記プローブの照射を断続させるタイミングと、前記スイッチトキャパシタ形式の増幅回路のコンデンサ、又は第１のコンデンサを充放電するタイミングと、を同期させる同期手段を有することを特徴とする請求項８に記載の電流測定装置。
【請求項１０】
前記増幅回路又は前記演算増幅器の出力をアナログ信号からデジタル信号に変換するコンバータと、
前記測定サンプルに流れる電流について測定するときに、該測定サンプルと、前記増幅回路又は前記演算増幅器と、前記コンバータとが少なくとも入れられる真空チャンバとを有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の電流測定装置。
【請求項１１】
前記プローブとして、電子ビーム、イオンビーム、電磁波、音波、振動のうちの少なくとも１つを前記測定サンプルに照射する照射手段を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の電流測定装置。
【請求項１２】
電子ビーム等のプローブを測定サンプルに照射し、該測定サンプルに生じる電流を測定する電流測定方法であって、
前記測定サンプルに流れる電流について、スイッチトキャパシタ形式の増幅回路により増幅することを特徴とする電流測定方法。
【請求項１】
電子ビーム等のプローブを測定サンプルに照射したときに、該測定サンプルに生じる電流を測定する手段を有する電流測定装置であって、
前記測定サンプルに流れる電流について増幅する増幅回路として、スイッチトキャパシタ形式の増幅回路を有することを特徴とする電流測定装置。
【請求項２】
測定対象となる測定サンプルにプローブを照射するプローブ照射手段と、
前記測定サンプルにプローブを照射したときに、該測定サンプルに流れた電流について電荷として蓄積する第１のコンデンサと、
前記第１のコンデンサに蓄積された電荷によって生じた電圧が印加される負入力端子と基準電圧が印加されている正入力端子とを有する演算増幅器と、
一端が前記演算増幅器の負入力端子に接続されており、他端が該演算増幅器の出力端子に接続されている第２のコンデンサと、
前記第１のコンデンサに蓄積された電荷を放電するスイッチと、
前記スイッチの動作を制御する制御手段とを有することを特徴とする電流測定装置。
【請求項３】
測定対象となる測定サンプルにプローブを照射するプローブ照射手段と、
前記測定サンプルに容量結合している電極と、
一端が前記電極に接続されている第１のコンデンサと、
前記第１のコンデンサの他端に接続されている負入力端子と基準電圧が印加されている正入力端子とを有する演算増幅器と、
一端が前記演算増幅器の負入力端子に接続されており、他端が該演算増幅器の出力端子に接続されている第２のコンデンサと、
前記第１のコンデンサに蓄積された電荷を放電するスイッチと、
前記スイッチの動作を制御する制御手段とを有することを特徴とする電流測定装置。
【請求項４】
測定対象となる測定サンプルにプローブを照射するプローブ照射手段と、
前記測定サンプルに電気的に接続された負入力端子と基準電圧が印加されている正入力端子とを有する演算増幅器と、
前記演算増幅器の負入力端子と出力端子との間に配置されている第１のコンデンサと、
前記第１のコンデンサに蓄積された電荷を放電するスイッチと、
前記スイッチの動作を制御する制御手段とを有することを特徴とする電流測定装置。
【請求項５】
前記スイッチは、前記第１のコンデンサの一端に接続された第１のスイッチと、該第１のコンデンサの他端に接続された第２のスイッチとを有してなることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の電流測定装置。
【請求項６】
前記第１のスイッチにおける前記第１のコンデンサ側の端子とは逆側の端子と、前記第２のスイッチにおける前記第１のコンデンサ側の端子とは逆側の端子とに可変電圧を印加する電圧源を有することを特徴とする請求項５に記載の電流測定装置。
【請求項７】
前記増幅回路、又は前記演算増幅器の正入力端子に、基準電圧として可変電圧を印加する増幅器用電圧源を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電流測定装置。
【請求項８】
前記プローブの照射を断続させる断続手段を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電流測定装置。
【請求項９】
前記断続手段が前記プローブの照射を断続させるタイミングと、前記スイッチトキャパシタ形式の増幅回路のコンデンサ、又は第１のコンデンサを充放電するタイミングと、を同期させる同期手段を有することを特徴とする請求項８に記載の電流測定装置。
【請求項１０】
前記増幅回路又は前記演算増幅器の出力をアナログ信号からデジタル信号に変換するコンバータと、
前記測定サンプルに流れる電流について測定するときに、該測定サンプルと、前記増幅回路又は前記演算増幅器と、前記コンバータとが少なくとも入れられる真空チャンバとを有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の電流測定装置。
【請求項１１】
前記プローブとして、電子ビーム、イオンビーム、電磁波、音波、振動のうちの少なくとも１つを前記測定サンプルに照射する照射手段を有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の電流測定装置。
【請求項１２】
電子ビーム等のプローブを測定サンプルに照射し、該測定サンプルに生じる電流を測定する電流測定方法であって、
前記測定サンプルに流れる電流について、スイッチトキャパシタ形式の増幅回路により増幅することを特徴とする電流測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−１８４１２４（Ｐ２００６−１８４１２４Ａ）
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３７７８１７（Ｐ２００４−３７７８１７）
【出願日】平成１６年１２月２７日（２００４．１２．２７）
【出願人】（５０２２７７７６２）ファブソリューション株式会社 (9)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月１３日（２００６．７．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２７日（２００４．１２．２７）
【出願人】（５０２２７７７６２）ファブソリューション株式会社 (9)
【Ｆターム（参考）】
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