JP2004055239A

JP2004055239A - 走査形電子顕微鏡

Info

Publication number: JP2004055239A
Application number: JP2002208990A
Authority: JP
Inventors: Hirotami Koike; 小池　紘民; Koji Kimura; 木村　浩二
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2002-07-18
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2004-02-19
Also published as: US6894277B2; US20040011959A1

Abstract

【課題】光軸方向に隣接して２個以上の対物レンズを設け、大面積の走査の時は試料から離れた長焦点距離の対物レンズを使用し、高分解能観察に際しては試料に近い短焦点距離の対物レンズを使用することにより、互いに相反する要求を克服することのできる走査型電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】本発明は、走査形電子顕微鏡において、対物レンズ系９は、第１対物レンズ１１と第２対物レンズ１２とから構成され、第１対物レンズ１１は電子源１に近い側に設けられ、第２対物レンズ１２は試料１０に近い側に設けられると共に第１対物レンズ１１に隣接して配置され、対物レンズ系９の電子源側に走査系５、８を構成する走査コイル又は走査偏向電極と２次電子検出系を構成する２次電子検出器４とが設置され、広視野モードで使用する場合には、第１対物レンズ１１を主励磁し、高分解モードで使用する場合には、第２対物レンズ１２を主励磁する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広視野モード（大面積検査モード）と高分解能モード（高分解能観察モード）とを兼ね備えた走査形電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬＳＩの微細化の加速により、２５０ｎｍのデザインルール以下では、パターン寸法が露光波長を下回り、近接効果補正や位相シフト・マスク等の超解像技術が要求されてきている。このような状況下でのプロセス管理としては、パターンの線幅のみを管理していた従来の１次元測長方法では意味が無くなり、パターンの２次元、３次元の管理が要求されてきている。プロセス管理にはスループットが重要な要因であり、マスクやレジストパターンの大面積を短時間で測定し、基準パターンやＣＡＤデータとの比較を行う方法が要求されている。このためには、２０−５０ｎｍの分解能で、１０００−２０００μｍ平方の大面積の走査ができる走査形電子顕微鏡が要求されている。一般に、チップの面積は一辺で１０−２０ｍｍであり、パターン検査ではスループットを向上させるために、分解能は多少犠牲にしてでも、できるだけ広い面積をひずみ無く観察する必要があり、長焦点距離の対物レンズが適している。
【０００３】
一方、マスクやレジストパターンに欠陥があったときは、不良解析、原因究明のために、その部分を高分解能で詳細に観察する必要があり、このためには、３−５ｎｍオーダーの高分解能の走査形電子顕微鏡が要求され、従って、短焦点距離の対物レンズが望ましい。しかしながら、短焦点距離のレンズでは広い面積をひずみ無く走査することは困難である。すなわち、この２つの要求は相反している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、実用的にはスループットを考慮すると、電子線と比較して、レーザ光を利用した従来の光の検査方式の方が遙かに早い。しかしながら、光の分解能は波長による限界があり、紫外線を利用した場合でも現状では５０−１００ｎｍが限界である。
【０００５】
電子顕微鏡を用いるメリットは、光の分解能以下の分解能、すなわち、５０ｎｍ以下の分解能を得ることができる点にあり、図５に示すように、光の分解能以下の５０ｎｍの分解能を得るためには、ＷＤは分解能５０−７０ｍｍ以下が望ましい。
【０００６】
また、図５から明らかなように、電子線を利用することにより１ｎｍの分解能が得られるが、電子線といえども対物レンズと試料間の距離（ワーキングディスタンス（ＷＤ））が近くないと高分解能が得られない。
【０００７】
例えば、１個の対物レンズを用いて、５ｎｍの分解能を維持するためには、ワーキングディスタンスＷＤを図５に示すようにほぼ７ｍｍ以下にする必要がある。従って、対物レンズをできるだけ試料に近づける必要がある。
【０００８】
しかしながら、通常の測長ＳＥＭ（ＣＤ−ＳＥＭ）の対物レンズでは、ＷＤ＝７ｍｍで１ｍｍの広視野を走査するためには非点、湾曲、歪み等の各収差を走査に連動して動的に調整する必要があるが、この状態では、歪み収差が１ｍｍに達し、補正回路に大幅な負担が掛かるとともに、補正しきれないという問題が発生する。無理矢理補正したとしても操作・調整が煩雑になるとともにコストも高くなる。補正困難な軸外色収差に到っては１５０ｎｍ近くなる。一方、ワーキングディスタンスＷＤを長くすると軸外色収差が大きくなり、５ｎｍの分解能は維持できなくなる。
【０００９】
このように、マスクから転写したウエハー上のパターンを検査する走査形電子顕微鏡では、互いに相反する大面積検査機能と、高分解能観察機能を両立させるには、走査形電子顕微鏡の一個の対物レンズではカバーしきれない。
【００１０】
なお、図５は加速電圧３ｋＶで、試料の電位がＥ＝−２．５ｋＶの時の分解能と試料から対物レンズ中心までの距離との関係を示すグラフ図である。
【００１１】
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、その目的とするところは、光軸方向に隣接して２個以上の対物レンズを設け、大面積の走査の時は試料から離れた長焦点距離の対物レンズを使用し、高分解能観察に際しては試料に近い短焦点距離の対物レンズを使用することにより、互いに相反する要求を克服することのできる走査型電子顕微鏡を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の走査形電子顕微鏡は、電子ビームを放射する電子源と、放射された電子ビームを試料上に集束する対物レンズ系と、集束された電子ビームを試料上で走査する走査系と、前記試料から放出される２次電子を検出する２次電子検出系と、前記２次電子検出系からの２次電子検出信号を用いて前記試料の２次電子像を表示する２次電子像表示系とを有する走査形電子顕微鏡において、前記対物レンズ系は、第１対物レンズと第２対物レンズとから構成され、該第１対物レンズは前記電子源に近い側に設けられ、前記第２対物レンズは前記試料に近い側に設けられると共に前記第１対物レンズに隣接して配置され、前記対物レンズ系の電子源側に前記走査系を構成する走査コイル又は走査偏向電極と前記２次電子検出系を構成する２次電子検出器とが設置され、広視野モードで使用する場合には、前記第１対物レンズを主励磁し、高分解モードで使用する場合には、前記第２対物レンズを主励磁することを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の走査形電子顕微鏡は、広視野モードで使用する場合に、前記第１対物レンズを主励磁するとともに、前記第２対物レンズを前記第１対物レンズの励磁方向と逆方向に従的に励磁し、軸外色収差を打ち消すことを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の走査形電子顕微鏡は、前記第１対物レンズと前記第２対物レンズとの少なくとも一方が、複数の励磁コイルで形成されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の走査形電子顕微鏡は、主励磁されていない対物レンズの複数の励磁コイルは互いに逆方向に励磁され、合成された起磁力が略ゼロとなるように構成され、モードを変更した場合でも熱変化が生じにくい構成とされていることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の走査形電子顕微鏡は、前記第１対物レンズは２個一対の分割コイルが前記対物レンズ系の主軸方向に間隔を開けて二組設けられ、一方の分割コイル組と他方の分割コイル組との間にヨークが介在され、広視野モードで使用する場合には、一方の分割コイル組の各分割コイルに同方向の起磁力を発生させると共に、他方の分割コイル組の各分割コイルに同方向の起磁力を発生させるが前記一方の分割コイル組の発生する起磁力とは逆方向の起磁力を発生させる。そして、高分解能モードで使用する場合には２個一対となっている各分割コイルに互いに逆向きの起磁力を発生させて前記第１対物レンズの起磁力を打ち消すことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１に係わる走査形電子顕微鏡の構成図である。この図１において、１は電子源、２はコンデンサレンズとして機能するコンデンサコイル、３は第１ターゲット板、４は第１検出器、５は第１偏向系、６は第２ターゲット板、７は第２検出器、８は第２偏向系、９は対物レンズ系、１０は試料である。
【００１８】
電子源１から発射された電子は、コンデンサコイル２で集められ、第１ターゲット板３を通過して、第１偏向系５に導かれ、第１偏向系５により所定の角度に偏向されて、第２ターゲット板６を通過し、第２偏向系８により所定の角度に偏向されて、対物レンズ系９に導かれる。なお、その第１偏向系５、第２偏向系８は例えば走査コイル又は走査偏向電極から構成されている。
【００１９】
対物レンズ系９は第１対物レンズ１１と第２対物レンズ１２とから構成されている。第１対物レンズ１１の中心から試料１０までのワーキングディスタンスＷＤ１は例えば約５０ｍｍであり、第２対物レンズ１２の中心から試料１０までのワーキングディスタンスＷＤ２は例えば約７ｍｍであり、第１対物レンズ１１と第２対物レンズ１２とは互いに隣接して配設されている。
【００２０】
その第１対物レンズ１１はヨーク１１ａと励磁コイル１１ｂとから構成され、第２対物レンズ１２はヨーク１２ａと励磁コイル１２ｂとから構成されている。なお、その図１において、符号Ｇ１はヨーク１１ａ間のギャップ、符号Ｇ２はヨーク１２ａ間のギャップをそれぞれ示す。試料１０には例えば−２．５ＫＶの負荷電位Ｅが印加されている。
【００２１】
第１偏向系５と第２偏向系８とは電子ビームを走査する走査系を構成し、第１ターゲット板３と第１検出器４とは二次電子を検出する二次電子検出系を構成し、第２ターゲット板６と第２検出器７とは反射電子を検出する反射電子検出系を構成している。
【００２２】
その二次電子検出系、反射電子検出系は対物レンズ系９よりも電子源１に近い側に配設されている。
【００２３】
この走査形電子顕微鏡では、高分解能モードで試料１０を走査するときには、第２対物レンズ１２の励磁コイル１２ｂが励磁されかつ第１対物レンズ１１の励磁コイル１１ｂは励磁されない。また、広視野モードで試料１０を走査するときには、第２対物レンズ１２の励磁コイル１２ｂは励磁磁されずかつ第１対物レンズ１１の励磁コイル１１ｂが励磁される。
【００２４】
対物レンズ系９は、電子ビームを試料１０に集束しつつ照射する。試料１０には負荷電位が印加されているので、この電子ビームの走査によりその試料１０から二次電子、反射電子が急速に対物レンズ系９の主軸Ｑに沿って飛び出す。反射電子は二次電子よりも散乱角度が大きいので第２ターゲット板６に当たり、第２ターゲット板６から放出される二次電子が第２検出器７により検出される。また、二次電子は第１ターゲット板３に当たり、第１ターゲット板３から放出される二次電子が第１検出器４により検出される。その第１検出器４、第２検出器７の検出出力は二次電子、反射電子像を表示する表示系１３に入力される。
【００２５】
この実施例１によれば、広視野モードで試料１０を走査する第１対物レンズ１１と高分解能モードで試料１０を走査する第２対物レンズ１２とを隣接して配設したので、互いに相反する大面積検査機能と、高分解能観察機能とを両立させることができる。
【００２６】
なお、この実施例１では、広視野モードで試料１０を走査するときには第１対物レンズ１１の励磁コイル１１ｂを励磁しかつ第２対物レンズ１２の励磁コイル１２ｂを励磁しない構成とし、これに対して、高分解能モードで試料１０を走査するときには第２対物レンズ１２の励磁コイル１２ｂを励磁しかつ第１対物レンズ１１の励磁コイル１１ｂを励磁しない構成としたが、さらに広視野モードで試料１０を走査するときには第２対物レンズ１２の励磁コイル１２ｂを第１対物レンズ１１の第１励磁コイル１１ｂの励磁による磁力線の向きとは逆方向の向きの磁力線が発生するように構成することにより、軸外色収差を打ち消す構成とすることもできる。
（変形例１）
図２は第１対物レンズ１１の一部を構成するヨーク１１ａと第２対物レンズ１２の一部を構成するヨーク１２ａとの共用化を図ると共に、第１対物レンズ１１の一部を構成する励磁コイル１１ｂを一対の分割コイル１１ｃと分割コイル１１ｄとから構成し、かつ、第２対物レンズ１２の一部を構成する励磁コイル１２ｂを一対の分割コイル１２ｃと分割コイル１２ｄとから構成したものである。
【００２７】
この図２に示す対物レンズ系９の場合、以下に説明するように、各対物レンズ１１、１２を共に励磁する。
【００２８】
すなわち、広視野モードで試料１０を走査するときには第１対物レンズ１１の分割コイル１１ｃによる磁力線の向き（起磁力の向き）と分割コイル１１ｄによる磁力線の向き（起磁力の向き）とが同方向になるように各分割コイル１１ｃ、１１ｄが励磁される一方、第２対物レンズ１２の分割コイル１２ｃによる磁力線の向き（起磁力の向き）と分割コイル１２ｄによる磁力線の向きと（起磁力の向き）が逆方向になるように各分割コイル１２ｃ、１２ｄが励磁される。
【００２９】
これに対して、高分解能モードで試料１０を走査するときには第２対物レンズ１２の分割コイル１２ｃによる磁力線の向き（起磁力の向き）と分割コイル１２ｄによる磁力線の向き（起磁力の向き）とが同方向になるように各分割コイル１２ｃ、１２ｄが励磁される一方、第１対物レンズ１１の分割コイル１１ｃによる磁力線の向き（起磁力の向き）と分割コイル１１ｄによる磁力線の向き（起磁力の向き）とが逆方向になるように各分割コイル１１ｃ、１１ｄが励磁される。
【００３０】
このように、広視野モードのときには第１対物レンズ１１の各分割コイル１１ｃ、１１ｄの起磁力の向きを同方向とする一方、第２対物レンズ１２の各分割コイル１２ｃ、１２ｄの起磁力の向きを逆方向とし、これに対して、高分解能モードのときには第２対物レンズ１２の各分割コイル１２ｃ、１２ｄの起磁力の向きを同方向とする一方第１対物レンズの１１の各分割コイル１１ｃ、１１ｄの起磁力の向きを逆方向とすれば、広視野モードのときには第２対物レンズ１２の起磁力が互いに打ち消され、一方、高分解能モードのときには第１対物レンズ１１の起磁力が互いに打ち消されるので、しかも、広視野モード、高分解能モードのいずれの動作モードの場合にも各励磁コイルには電流が流れ続けているので、広視野モードと高分解能モードとの間でのモード切替に際して、熱的変化を抑制できることになり、画像の安定性を図ることができる。
（変形例２）
図３は第１対物レンズ１１と第２対物レンズ１２とを親子レンズにより構成したもので、この変形例２では第１対物レンズ１１を第２対物レンズ１２と同心に配設し、第１対物レンズ１１と第２対物レンズ１２とをより一層隣接させる構成としたものである。
（実施例２）
図４は本発明の実施例２に係わる走査形電子顕微鏡の構成図である。
この実施例２では、第１対物レンズ１１の一部を構成するヨーク１１ａは２個のギャップを有する。その第１対物レンズ１１の励磁コイル１１ｂは４個の分割コイル１１ｃ、１１ｃ’、１１ｄ、１１ｄ’から構成され、第２対物レンズ１２の一部を構成する励磁コイル１２ｂは変形例１と同様に分割コイル１２ｃ、１２ｄから構成されている。
【００３１】
その分割コイル１１ｃと分割コイル１１ｃ’とは一対とされて一方の分割コイル組を構成し、その分割コイル１１ｄと分割コイル１１ｄ’とは一対とされて他方の分割コイル組を構成している。この一方の分割コイル１１ｃ、１１ｃ’の組と他方の分割コイル１１ｄ、１１ｄ’の組との間に中間ヨーク１１ｅが存在している。
【００３２】
この実施例２によれば、変形例１と同様に、第２対物レンズ１２の各分割コイル１２ｃ、１２ｄに同方向に電流を流すと起磁力が合成されて、実施例１と同様に１個の対物レンズとして作用する。一方、第１対物レンズ１１の各分割コイル１１ｃ、１１ｃ’に互いに逆方向の電流を流すと共に、各分割コイル１１ｄ、１１ｄ’に互いに逆方向の電流を流すと、第１対物レンズ１１の起磁力が０になる。
【００３３】
従って、短焦点の高分解能レンズの対物レンズ系９として作用させるためには、第１対物レンズ１１の一対の分割コイル１１ｃ、１１ｃ’を互いに逆向きに励磁して起磁力を０にすると共に、一対の分割コイル１１ｄ、１１ｄ’を互いに逆向き励磁にして起磁力を零とし、第２対物レンズ１２の分割コイル１２ｃ、１２ｄに同方向に電流を流せば良い。
【００３４】
これに対して、広視野観察の場合には、第２対物レンズ１２の起磁力を零にするため、第２対物レンズの分割コイル１２ｃ、１２ｄに電流を逆方向に流す。一方、第１対物レンズ１１の一対の分割コイル１１ｃ、１１ｃ’には同方向の電流を流し、起磁力を発生させる。また、第１対物レンズ１１の一対の分割コイル１１ｄ、１１ｄ’には同方向の電流ではあるが、分割コイル１１ｃ、１１ｃ’に流す電流の方向とは逆方向に電流を流して、逆向きの起磁力を発生させる。
【００３５】
このように構成すると、第１対物レンズ１１は２個のギャップＧ３、Ｇ４を持つので、広視野モードで試料１０を走査するときに、軸外色収差を減少させることができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成したので、互いに相反する広視野モードと高分解能モードとを兼ね備えた走査形電子顕微鏡を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係わる走査形電子顕微鏡の概要図である。
【図２】図１に示す対物レンズ系の変形例１の説明図である。
【図３】図１に示す対物レンズ系の変形例２の説明図である。
【図４】本発明の実施例２に係わる走査形電子顕微鏡の概要図である。
【図５】ワーキングディスタンスと分解能との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１…電子源
３…ターゲット板（二次電子検出系）
４…第１検出器（二次電子検出系）
５…第１偏向系（走査系）
８…第２偏向系（走査系）
９…対物レンズ系
１０…試料
１１…第１対物レンズ
１２…第２対物レンズ
１３…表示系

Claims

電子ビームを放射する電子源と、放射された電子ビームを試料上に集束する対物レンズ系と、集束された電子ビームを試料上で走査する走査系と、前記試料から放出される２次電子を検出する２次電子検出系と、前記２次電子検出系からの２次電子検出信号を用いて前記試料の２次電子像を表示する２次電子像表示系とを有する走査形電子顕微鏡において、
前記対物レンズ系は、第１対物レンズと第２対物レンズとから構成され、該第１対物レンズは前記電子源に近い側に設けられ、前記第２対物レンズは前記試料に近い側に設けられると共に前記第１対物レンズに隣接して配置され、前記対物レンズ系の電子源側に前記走査系を構成する走査コイル又は走査偏向電極と前記２次電子検出系を構成する２次電子検出器とが設置され、広視野モードで使用する場合には、前記第１対物レンズを主励磁し、高分解モードで使用する場合には、前記第２対物レンズを主励磁することを特徴とする走査形電子顕微鏡。
広視野モードで使用する場合に、前記第１対物レンズを主励磁するとともに、前記第２対物レンズを前記第１対物レンズの励磁方向と逆方向に従的に励磁し、軸外色収差を打ち消すことを特徴とする請求項１記載の走査形電子顕微鏡。
前記第１対物レンズと前記第２対物レンズとの少なくとも一方が、複数の励磁コイルで形成されていることを特徴とする請求項１記載の走査形電子顕微鏡。
主励磁されていない対物レンズの複数の励磁コイルは互いに逆方向に励磁され、合成された起磁力が略ゼロとなるように構成され、モードを変更した場合でも熱変化が生じにくい構成とされていることを特徴とする請求項３に記載の走査形電子顕微鏡。
前記第１対物レンズは２個一対の分割コイルが前記対物レンズ系の主軸方向に間隔を開けて二組設けられ、一方の分割コイル組と他方の分割コイル組との間にヨークが介在され、広視野モードで使用する場合には、一方の分割コイル組の各分割コイルに同方向の起磁力を発生させると共に、他方の分割コイル組の各分割コイルに同方向の起磁力を発生させるが前記一方の分割コイル組の発生する起磁力とは逆方向の起磁力を発生させ、高分解能モードで使用する場合には２個一対となっている各分割コイルに互いに逆向きの起磁力を発生させて前記第１対物レンズの起磁力を打ち消すことを特徴とする請求項１に記載の走査形電子顕微鏡。