JP2001185066A - 電子線装置 - Google Patents

電子線装置

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JP2001185066A
JP2001185066A JP36744199A JP36744199A JP2001185066A JP 2001185066 A JP2001185066 A JP 2001185066A JP 36744199 A JP36744199 A JP 36744199A JP 36744199 A JP36744199 A JP 36744199A JP 2001185066 A JP2001185066 A JP 2001185066A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウェハを低加速電圧で高分解能観察す
ること、特にウェハの大角度傾斜時高分解能観察するこ
と。 【解決手段】 単極磁界型レンズ４と、静電界浸レンズ
３から構成される複合レンズであり、静電界浸レンズの
ウェハに対向する電極は磁性材で構成され、該電極とウ
ェハには負の高電圧が印加される。ウェハを傾斜して
も、非点・軸不良が生じない。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、低加速電圧に於い
て高分解能観察可能な電子線装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年半導体集積回路パターンはますます
微細化され、半導体製造工程に於いて、これを、１ｋＶ
以下の低加速試料入射電圧で、より高分解能でＳＥＭ観
察する要望が大きい。このためには、ＳＥＭ鏡筒の対物
レンズの収差、特に色収差を低減することが重要であ
る。このための方法として、単極磁界型レンズと静電レ
ンズを組み合わせた複合対物レンズを用いる方法があ
る。特開平10-199459、特開平11-25895に示されている
ように（図４，５）、単極レンズ４と試料５との間に電
極３ａ，３ｂ（図５においては３）を設け、電極３ｂ
（図５においては３）と試料５とに負の同電位を印加す
ることにより、対物レンズの収差を低減するとともに、
試料傾斜に伴う非点収差を抑えて高分解能観察を可能に
するものである。しかしながら、単磁極と試料との間に
静電レンズを組み込む構造であるため、単磁極頂面と試
料との距離は比較的大きくなり、収差をさらに低減する
のは困難であった。
【０００３】また単極レンズと静電レンズとの複合レン
ズにて、試料に対向する電極を磁性体で構成する公知例
として下記の例がある。特開平９−０１７３６９に開示
されている例では（図６）、『対物レンズの磁極（８，
８ａ）は試料側に磁場を発生させる形状を有し、該対物
レンズの電子線通路部の軸方向に１個以上配置された一
次電子線が通過できる軸対称な加速電極（１０ａ、１０
ｂ）と、該加速電極に正の電圧を印加する手段と、前記
加速電極の内試料に最も接近している電極（１０ｂ）よ
りも外側、又は試料側に配置された一次電子線が通過で
きる電界補正電極（１１）と、該補正電極に負の電圧を
印加する手段を備え…前記加速電極のうち試料に最も接
近している電極（１０ｂ）は磁性体で構成され…』てい
る。しかしながら、磁性体で構成されている電極１０ｂ
は正電位に印加されており、試料はアース電位であるた
め、試料を傾斜すると、光軸付近の電界が非対称にな
り、二次電子検出効率の低下及び収差が生じる。この不
具合を、電極１０ｂの外側に設けた電界補正電極１１の
電界でうち消すことにより解消しようとしたもので、当
然試料傾斜角により該電極への印加電圧も変化させねば
ならず煩雑であり、また構成も複雑である。
【０００４】また特開平１１−１２０９５０に開示され
ている例（図７）では、上記の例と同様に、第１のポー
ルピース（７０）と第２のポールピース（７１）との間
に第３のポールピース（１３）を設置し、「第３のポー
ルピース…は、上記他の２つのポールピースに磁気的に
接触していないで且つ上記第１及び第２のポールピース
の間に形成された…磁場…の中に浸かっておりこの磁場
の一部を抽出している」様にし、第３のポールピースに
は正または負の電位を印加可能にしている。しかしなが
ら、第３のポールピースに負の電位を印加した場合、試
料には電位が印加されないため、試料を傾斜した場合、
上記従来例と同様二次電子検出効率の低下及び収差の発
生を避けられない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は低加速電圧電
子線装置に於いて、特に試料を傾斜して、より高分解能
化を図ることを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本願発明の電子線装置においては、第１に試料は、
電子源側に位置する磁極付近に形成されるレンズ磁界内
に設置されており、該電子源側磁極は、試料から遠い磁
極と試料に近い磁極に分割されており、試料傾斜時に、
該試料に近い磁極（３ｂ）には負の電位を印加するよう
にし、該試料に近い磁極及び試料とに負の電位を印加す
るようにした電磁界複合レンズを設けた。
【０００７】第２に、試料に近い磁極及び試料とに負の
同電位を印加するようにした。第３に、試料より遠い磁
極の頂面（４ａ）が、試料より遠い磁極と試料に近い磁
極との間の電気的絶縁材よりも、試料近くに位置させる
ようにした。第４に、試料に近い磁極と及び試料に負の
同電位を印加するようにした。第５に、試料は、対向す
る磁極の間すなわち電子源側に位置する磁極と電子源と
反対側に位置する磁極との間に設置されており、電子源
側磁極は、さらに試料から遠い磁極と試料に近い磁極に
分割されており、試料傾斜時に、該試料に近い磁極（３
ｂ）には負の電位を印加するようにし、該試料に近い磁
極及び試料に負の電位を印加するようにした電磁界複合
レンズを設けた。
【０００８】第６に、試料及び試料に対向する磁極に負
の同電位を印加するようにした。第７に、試料より遠い
磁極の頂面（４ａ）が、試料より遠い磁極と試料に近い
磁極との間の電気的絶縁材よりも、試料近くに位置させ
るようにした。第８に、試料に近い磁極と及び試料に負
の同電位を印加するようにした。第９に、試料は、対向
する磁極の間すなわち電子源側に位置する磁極と電子源
と反対側に位置する磁極との間に設置されており、電子
源側磁極は、さらに試料から遠い磁極（４ａ）と試料に
近い磁極（３ｂ）に分割されており、電子源と反対側の
磁極は、さらに試料に近い磁極（３ｂ′）と試料より遠
い磁極（４ａ′）とに分割されており、試料傾斜時に、
該試料に近い両磁極（３ｂ，３ｂ′）及び試料（５）に
負の電位を印加するようにした電磁界複合レンズを設け
た。
【０００９】第１０に、試料及び試料に対面する両磁極
に負の同電位を印加するようにした。第１１に、電子源
側の磁極及び電子源と反対側の磁極各々に於いて、試料
より遠い磁極の頂面（４ａ，４ａ′）を、試料より遠い
磁極と試料に近い磁極との間の電気的絶縁材（７，
７′）よりも、試料近くに位置させるようにした。
【００１０】第１２に、試料に近い磁極及び試料に負の
同電位を印加するようにした。第１３に、試料非傾斜時
には、電子源側の試料に近い磁極の電位をゼロあるいは
正電位に印加することを可能にした。
【００１１】
【作用】電子銃電圧２ｋＶで加速された電子線は、電子
源側の磁極と試料側の磁極の間に生ずる磁界と、アース
電極と負電位−１ｋＶが印加された試料側磁極との間の
減速電界、及び試料側磁極と負電位−１ｋＶが印加され
た試料との間の磁界により、１ｋＶの入射電圧で試料上
に集束される。電子プローブの照射により生じた二次電
子は上記電磁界により巻き上げられ、電子源側に設けら
れた二次電子検出器により検出され画像を形成する（図
１参照）。試料とこれに対向する磁極とは負の同電位に
印加されているため、試料傾斜時光軸上に非対称な電界
が生じない。従って二次電子検出効率の低下や非点収差
が発生せず、高分解能像が得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１に本願発明による電磁界複合
対物レンズの断面図を示す。中空円錐台形状となってい
る。図１において磁極３ｂは電極としての役割も持って
いる。３ａは漏斗形状の電極である。電子銃より出た一
次電子線１は２ｋＶで加速され、軸対称二次電子検出器
２に設けられた孔を通過後、試料から遠い磁極４ａと試
料に近い磁極３ｂとの間に形成される磁界の集束作用を
受け、ゼロあるいは正電位に印加された電極３ａと磁性
材よりなる−１ｋＶの負電位に印加された磁極３ｂとの
間の減速電界により１ｋＶに減速され、磁極３ｂと周状
磁極４ｂとの間に形成される磁界により集束され、−１
ｋＶの負電位に印加された試料５に試料入射電圧１ｋＶ
で照射される。電子線プローブは、図１に示していない
走査偏向コイルにより、試料面上を走査され、発生した
二次電子線６は上記電磁界により巻き上げられ、二次電
子検出器２により検出される。磁極３ｂと試料とは同電
位であるため、試料傾斜による非対称な電界は生じな
い。従って非点や軸不良がなく高分解能像が得られる。
【００１３】図８に、図４におけるように電極４３ｂを
非磁性材で構成した場合(nonmagnetic electrode)と、
図１におけるように、図４と寸法は同じで電極４３ｂに
対応する部分を磁性材で構成し磁極３ｂとした場合（ma
gnetic electrode）との色収差係数Ｃｃの一例を示す。
電子銃電圧は２ｋＶ、電極３ａの電位はアース電位、磁
極３ｂと試料５の電位は−１ｋＶとし、また磁極４ａと
磁極３ｂの間隙が２ｍｍで、間隙中心と磁極３ｂの試料
５に対向する面との距離Ｌを２ｍｍとした。横軸ＷＤは
電極４３ｂあるいは磁極３ｂの試料対向面と試料５との
距離である。図８より、図１におけるように、図４の電
極４３ｂに対応する部分を磁性材で構成した方が同じＷ
Ｄに対しより小さい値のＣｃが得られ、より高分解能の
像が得られることが分かる。図８は、電極３ａがアース
電位である場合のＣｃを示したが、正に印加した場合に
はさらに小さいＣｃが得られる。またより構成を簡単に
するため、電極３ａを除いても良い。この場合、磁極４
ａはアース電位となる。磁極４ａをアース電位とした場
合のＣｃの値は図８で示したＣｃの値より大きくなる。
【００１４】図１では、磁極３ｂと試料５は同電位とし
たが、負電位で異なっても良い。実際、磁極３ｂの電位
を数１０Ｖ異ならせると、大角度傾斜時に於いても非点
等の発生はわずかで、二次電子検出効率が向上する場合
がある。試料が傾斜しない場合には、試料電位は負の高
電圧に保ったまま、磁極３ｂの電位をゼロあるいは正の
電位に印加しても、非点、軸不良は生じない。この場
合、試料近くでの減速電界によって、磁極３ｂに負電位
を印加するよりも小さいＣｃを得ることができるため、
より高分解能の像をえることができる。
【００１５】図９に、磁極４ａと磁極３ｂ（電極として
も作用する）との間隙中心と、磁極３ｂの試料対向面と
の距離Ｌに対するＣｃを、ＷＤをパラメーターとして示
した。ＷＤ２，３，５ｍｍは、各々ウェハの可能な最大
傾斜角が各々３０度、４５度、６０度に対応している。
ウェハ傾斜観察に比較的良く使用される４５度傾斜時、
すなわちＷＤ＝３ｍｍに於いては、距離Ｌが大きくなる
と大幅にＣｃが大きくなり分解能が低下することが解
る。従ってより小さいＣｃを得るには、磁極４ａと磁極
３ｂの間隙位置、すなわち磁極４ａと磁極３ｂ間に生ず
る磁界位置を、磁極３ｂの試料対向面近傍に位置させる
ことが望ましい。
【００１６】しかし、実際には、試料の大角度傾斜を許
す、先細状の磁極先端部に於いて、高電圧を維持するた
めの電気的絶縁材７を磁極３ｂの試料対向面近傍に、電
子線の帯電を防止して設置することは容易でない。図２
はこの不具合を解消するための構成例を示している。す
なわち、試料５は電子源側に位置する磁極付近に形成さ
れる磁界内に設置されており、該電子源側磁極は、試料
から遠い磁極４ａと試料に近い磁極３ｂに分割されてお
り、試料より遠い磁極の頂面４ａが、試料より遠い磁極
と試料に近い磁極との間の電気的絶縁材７よりも、試料
近くに位置させるようにし、磁極４ａにアース電位を、
また試料に近い磁極３ｂ及び試料５に負の同電位を印加
するようにしている。この場合磁極４ａと磁極３ｂ間に
減速電解が形成される。先細状の磁極先端部から離れた
位置に電気的絶縁材を設けることは容易であり、しかも
磁極４ａと磁極３ｂ間に生ずる磁界は磁極３ｂの試料対
向面近傍に位置するため、この複合レンズのＣｃを小さ
くすることができる。図１０にこの複合レンズ（遮蔽型
と名付ける）及び非遮蔽型複合レンズ（図１に対応す
る）のＣｃの一例を、ＷＤに対して示した。遮蔽型複合
レンズと非遮蔽型複合レンズいずれに於いても、電子銃
電圧は２ｋＶ、磁極３ｂと試料５の電位は−１ｋＶと
し、また磁極４ａと磁極３ｂの間隙が２ｍｍで、間隙中
心と磁極３ｂの試料５に対向する面との距離Ｌを２ｍｍ
とした。図２ではアース電極３ａは省いてある。図２の
遮蔽型レンズとの比較のため非遮蔽型複合レンズに於い
ても図１で示したアース電極３ａは省いて計算した。横
軸ＷＤは磁極３ｂの試料対向面と試料５との距離であ
る。遮蔽型複合レンズは、非遮蔽型レンズよりもむしろ
小さいＣｃを得ることが可能であることが解る。
【００１７】図２では、アースあるいは正に印加可能な
電極３ａを省いたが、電極３ａを取り付けても良い。こ
の場合電極３ａの試料側の頂面を、磁極４ａと磁極３ｂ
の間に位置させると図１０で示したよりも小さいＣｃを
えることができる。図３は、磁極３ｂ、４ａと磁極３
ｂ′、４ａ′の間に、比較的小径試料５を設置し、磁極
３ｂ、磁極３ｂ′及び試料５に負の高電位を印加するよ
うにした例である。図２に比較し、より高い磁束密度内
に試料を設置でき、より小さいＣｃを得ることが可能で
ある。各電位が同じであるため、試料を傾斜した場合、
二次電子検出効率の低下及び収差の発生を生ぜず、高分
解能観察が可能である。また、図２に於けると同様に、
アースあるいは正に印加可能な電極３ａを電子源側に取
り付けても良い。
【００１８】図３では、電子源と反対側の磁極は、さら
に試料に近い磁極３ｂ′と試料より遠い磁極４ａ′とに
分割されており、該試料に近い磁極３ｂ′には負の電位
を印加するようにし、試料に負の電位を印加するように
しているが、電子源と反対側の磁極は分割せず、負の電
位を印加しないようにしても良い。試料５の傾斜が大き
くない場合には、試料５より電子源側の電界の非対称性
は大きくなく、従って試料照射電子ビームに与える影響
が小さいためである。
【００１９】
【発明の効果】１ｋＶ程度以下の試料入射電圧で、試料
を大角度傾斜して高分解能ＳＥＭ観察することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電子線装置の対物レンズの一実施
例を示す概略図である。
【図２】本発明による電子線装置の対物レンズの他の実
施例を示す概略図である。
【図３】本発明による電子線装置の対物レンズの他の実
施例を示す概略図である。
【図４】従来の電子線装置の対物レンズの実施例を示す
概略図である。
【図５】従来の電子線装置の対物レンズの実施例を示す
概略図である。
【図６】従来の電子線装置の対物レンズの実施例を示す
概略図である。
【図７】従来の電子線装置の対物レンズの実施例を示す
概略図である。
【図８】本発明例及び従来例におけるＷＤと色収差係数
の関係を示すグラフ例である。
【図９】磁極間隙位置に対する色収差係数の関係を示す
グラフ例である。
【図１０】本発明例におけるＷＤと色収差係数の関係を
示すグラフ例である。
【符号の説明】
１ 電子線 ２ 二次電子検出器 ３ａ 電極 ３ｂ 磁極 ３ｂ′ 磁極 ４ａ 磁極 ４ａ′ 磁極 ４ｂ 周状磁極 ５ 試料 ６ 二次電子線 ７、７′ 電気的絶縁材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 光義 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 Ｆターム(参考） 5C033 DD04 DD09 DE06 NN01 NP01

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 試料は、電子源側に位置する磁極付近に
    形成されるレンズ磁界内に設置されており、該電子源側
    磁極は、試料から遠い磁極（４ａ）と試料に近い磁極
    （３ｂ）に分割されており、試料傾斜時に、該試料に近
    い磁極（３ｂ）及び試料（５）とに負の電位を印加する
    ようにした電磁界複合レンズを設けたことを特徴とする
    電子線装置。
  2. 【請求項２】 前記電位は同電位であることを特徴とす
    る請求項１記載の電子線装置。
  3. 【請求項３】 試料より遠い磁極（４ａ）の頂面が、試
    料より遠い磁極（４ａ）と試料に近い磁極（３ｂ）との
    間の電気的絶縁材（７）よりも、試料近くに位置するよ
    うにしたことを特徴とする請求項１記載の電子線装置。
  4. 【請求項４】 試料に近い磁極（３ｂ）及び試料（５）
    に負の同電位を印加するようにした請求項３記載の電子
    線装置。
  5. 【請求項５】 試料は、対向する磁極の間すなわち電子
    源側に位置する磁極と電子源と反対側に位置する磁極と
    の間に設置されており、電子源側磁極は、さらに試料か
    ら遠い磁極（４ａ）と試料に近い磁極（３ｂ）に分割さ
    れており、試料傾斜時に、該試料に近い磁極（３ｂ）及
    び試料（５）に負の電位を印加するようにした電磁界複
    合レンズを設けたことを特徴とする電子線装置。
  6. 【請求項６】 試料に近い磁極（３ｂ）及び試料（５）
    に負の同電位を印加するようにした請求項５記載の電子
    線装置。
  7. 【請求項７】 試料より遠い磁極（４ａ）の頂面が、試
    料より遠い磁極（４ａ）と試料に近い磁極（３ｂ）との
    間の電気的絶縁材（７）よりも、試料近くに位置するよ
    うにしたことを特徴とする請求項５記載の電子線装置。
  8. 【請求項８】 試料に近い磁極（３ｂ）及び試料（５）
    に負の同電位を印加するようにした請求項７記載の電子
    線装置。
  9. 【請求項９】 試料は、対向する磁極の間すなわち電子
    源側に位置する磁極と電子源と反対側に位置する磁極と
    の間に設置されており、電子源側磁極は、さらに試料か
    ら遠い磁極（４ａ）と試料に近い磁極（３ｂ）に分割さ
    れており、電子源と反対側の磁極は、さらに試料に近い
    磁極（３ｂ′）と試料より遠い磁極（４ａ′）とに分割
    されており、試料傾斜時に、該試料に近い両磁極（３
    ｂ，３ｂ′）及び試料（５）に負の電位を印加するよう
    にした電磁界複合レンズを設けたことを特徴とする電子
    線装置
  10. 【請求項１０】 試料に対向する両磁極（３ｂ、３
    ｂ′）及び試料（５）に負の同電位を印加するようにし
    た請求項９記載の電子線装置
  11. 【請求項１１】 電子源側の磁極及び電子源と反対側の
    磁極各々に於いて、試料より遠い磁極（４ａ，４ａ′）
    の頂面が、試料より遠い磁極と試料に近い磁極との間の
    電気的絶縁材（７，７′）よりも、試料近くに位置する
    ようにしたことを特徴とする請求項９記載の電子線装置
  12. 【請求項１２】 試料に対向する両磁極（３ｂ，３
    ｂ′）及び試料（５）に負の同電位を印加するようにし
    た請求項１１記載の電子線装置
  13. 【請求項１３】 試料非傾斜時には、電子源側の試料に
    近い磁極の電位をゼロあるいは正電位に印加することを
    可能にしたことを特徴とする請求項１〜１２記載の電子
    線装置
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