JP2004214065A

JP2004214065A - 電子線装置

Info

Publication number: JP2004214065A
Application number: JP2003000750A
Authority: JP
Inventors: Tomosato Kamiya; 知里神谷; Masahiro Akatsu; 昌弘赤津; Mitsugi Sato; 佐藤　　貢
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-01-07
Filing date: 2003-01-07
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2023-01-07
Also published as: EP1437759A2; US7745787B2; EP1437759A3; US20080290275A1; US7355177B2; US20040183017A1; EP1437759B1; US20060284093A1; JP3776887B2; US7105816B2

Abstract

【課題】インレンズ形対物レンズを有する高分解能走査電子顕微鏡において、散乱角の大きな透過電子を検出できるようにし、試料や目的に応じた高コントラストのＳＴＥＭ像を観察する。
【解決手段】暗視野検出器１４を対物レンズ磁極１２ｂに近接した場所に配置する。また、検出される暗視野信号１３の散乱角を制御するために、暗視野検出器１４を光軸に沿って移動させる手段を設ける。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子線装置に関し、特に試料の透過電子顕微鏡像（ＳＴＥＭ像）の観察が可能な走査電子顕微鏡及びその類似装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に走査電子顕微鏡に代表される電子線装置は、電子線を試料上で走査し、試料から出てくる二次電子又は反射電子を検出して走査電子顕微鏡像を得ている。観察する試料が１００ｎｍ程度の薄膜の場合、走査した電子線のほとんどが試料を透過する。試料を透過した電子は、試料の局部的な状態、厚さ、原子の種類によってその強度、散乱角度が異なっている。この透過電子を検出して表示するとＳＴＥＭ像（透過走査像：ＳｃａｎｎｉｎｇＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）を得ることができる。ＳＴＥＭ像には、明視野像と暗視野像があり、それぞれ検出する信号が異なる。明視野像は試料中で散乱することなく透過した電子のみを検出して得られる像で、暗視野像は試料中で散乱し透過した電子を検出して得られる像である。一般に検出器は明視野像には円形、暗視野像には円環形のものを用いる。
【０００３】
従来の一般的なＳＴＥＭ装置の構成を図２に示す。一般的なＳＴＥＭ装置は、加速電圧２００ｋＶ程度の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）と類似の構成を有する。電子銃２から放出された一次電子線１は、陽極４により加速され、第一の集束レンズ５によって集束され、偏向コイル８によって薄膜試料９上を走査される。対物レンズ１１の上下磁極１２ａ，１２ｂ間に配置した薄膜試料９を透過した電子は、その後、対物レンズ下部に配置した制御レンズ２２で集束されて暗視野検出器１４に検出される散乱角を制御される。こうして弾性散乱電子１３からなる暗視野信号は、暗視野検出器１４によって検出される。また、暗視野検出器１４を通過した透過電子１５は、さらにその下部に配置した明視野検出器１７に検出される。
【０００４】
特許文献１には、明視野像用と暗視野像用の絞りを共通の絞り台に保持させ、この絞り位置を切り替えることによって１つの検出器で暗視野信号と明視野信号を切り替えて観察する方法が開示されている。また、特許文献２には、カメラのシャッターに似た機構を持つ絞りを多段に配置し、散乱角の範囲を選択可能とする方法が開示されている。
【特許文献１】
特開平７−１６９４２９号公報
【特許文献２】
特開平６−１３９９８８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体の微細化や多層構造化が進み、その断面の微細構造を評価、計測するためにＳＴＥＭ法が注目されている。通常のＳＴＥＭ観察では２００ｋＶ程度の加速電圧が用いられるが、加速電圧を５０ｋＶ以下（例えば３０ｋＶ）にすると、より高いコントラストの明視野ＳＴＥＭ像が得られることが分かってきた。一方、暗視野ＳＴＥＭ像では、試料の原子番号の違いに起因するコントラスト（Ｚコントラスト）が明瞭に観察できるため、試料の元素分析（Ｘ線分析）と組み合わせて使用されることが多く、明視野ＳＴＥＭ法と同様に重要な観察法になっている。
【０００６】
通常、ＳＴＥＭ装置の対物レンズは薄膜観察用に設計されており、図３に示されるように、薄膜試料９が対物レンズ１１の上下磁極１２ａ，１２ｂのほぼ中央に配置される。しかし、走査電子顕微鏡の機能を前提とした装置では、厚みのあるバルク試料を高分解能観察するのに適した構造になっているため、図４に示すように、試料の観察面（一次電子線がフォーカスする位置）が対物レンズ１１の上磁極１２ａ側に偏っている。したがって、この位置に薄膜試料を配置してＳＴＥＭ観察を行う場合には、薄膜試料を透過した電子１３，１５が対物レンズ１１の下磁極１２ｂを通過するまでに強いレンズ作用を受けるため、下磁極１２ｂを通過する前に再度フォーカスしてしまう（図５）。その結果、対物レンズ１１の下磁極１２ｂを通過した透過電子は、試料で散乱する角度よりも大きな角度で対物レンズ磁極の下方に進行する。さらに、一次電子線の加速電圧が低くなると、入射電子線が薄膜試料によって散乱する角度自体も大きくなる。したがって、加速電圧５０ｋＶ以下で使用するインレンズ形の高分解能走査電子顕微鏡でＳＴＥＭ観察を行う場合には、薄膜試料で高角度に散乱した透過電子を従来技術で検出するのが非常に困難であった。何となれば、高角度に散乱した透過電子は、対物レンズ下方に配置した制御レンズ（Ｃ３）２２、もしくは透過電子検出器に到達する前に、途中の磁路の内壁に衝突するからである。
【０００７】
本発明は、インレンズ形対物レンズを有する高分解能走査電子顕微鏡において、検出が困難であった散乱角の大きな透過電子（暗視野信号）を検出するとともに、散乱角の範囲を選択可能な機構を持たせ、試料や目的に応じた高コントラストのＳＴＥＭ像を高分解能で観察することの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】
上記目的を達成するために、本発明では、暗視野像用の検出器を対物レンズ下磁極に近接した場所、例えば、試料と対物レンズ下磁極との間、対物レンズの下磁極よりも下方で下磁極に近接した位置、試料を透過した電子が再集束する位置よりも下方であって、試料内散乱角が１００ｍｒａｄ以上の透過電子が検出される位置に配置した。この透過電子検出器の配置によると、散乱角の大きな透過電子を検出することができる。
【０００９】
また、検出される暗視野信号の散乱角を制御するために、暗視野用透過電子検出器を対物レンズの下磁極より下方に接近して配置し、この検出器を光軸に沿って移動させる手段を設けた。このことにより、暗視野検出器に検出される透過電子の散乱角範囲を変更することができ、試料に最適な散乱角範囲を設定することができるようになる。
【００１０】
さらに、暗視野用検出器よりも下方に暗視野用検出器を通過した透過電子（明視野信号電子）を検出するための明視野用検出器を設けるとともに、暗視野用検出器と明視野用検出器との間に偏向器と明視野絞りとを配置した。これにより、明視野信号が所望の明視野絞りに対して、その中央を通過して透過電子の検出領域を制御できるようにした。明視野信号は、薄膜試料の厚さに応じて透過量が異なるため、試料が厚い場合には、大きな孔径の明視野絞りを用い、試料が薄い場合には、小さな孔径の明視野絞りに電気的に切り替えることができる。また、暗視野信号電子の検出器を２分個以上の複数の検出要素に分割して、各々の検出要素の信号を選択、もしくは演算する手段を設けた。この手段により、特定の方向に散乱透過した電子のみの情報を高コントラストに表示することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明による、ＳＴＥＭ像の観察が可能な走査電子顕微鏡の構成例を示す概略図である。この例は、インレンズタイプの走査電子顕微鏡に本発明を適用した場合を示している。
【００１２】
図１において、３〜６ｋＶの電圧が印加された引き出し電極３の電界により電界放出形電子銃２から放出された電子線１は陽極４（０．５〜３０ｋＶの電圧が印加されている）により加速され、第一の集束レンズ５（Ｃ１レンズ）によって集束され、対物レンズ絞り６でビームの不要な領域が除去される。対物レンズ絞り６を通過した電子線１は第二の集束レンズ７（Ｃ２レンズ）と対物レンズ１１により細く絞られる。この細く絞られた電子線１は二段の偏向コイル８により、対物レンズ内に置かれた１００ｎｍ程度の厚さの薄膜試料９上で二次元的に走査される。試料９から出た二次電子（又は反射電子）は対物レンズ１１の上方に設置された二次電子検出器（又は反射電子検出器）１０で検出される。二次電子検出器（又は反射電子検出器）１０で検出された電子は、増幅器で増幅され、偏向コイル８と同期したＣＲＴ１８上で走査電子顕微鏡像を形成する。
【００１３】
本発明では、円環形の暗視野検出器１４を対物レンズ下磁極１２ｂに近接した位置に配置し、散乱角が１００ｍｒａｄ以上の透過電子（弾性散乱電子）１３を検出できる構造にしている。従来の加速電圧２００ｋＶのＳＴＥＭでは、経験的に散乱角が５０ｍｒａｄ以上の透過電子を検出できれば実用的な暗視野像が得られるが、加速電圧が５０ｋＶ以下になると、少なくとも１００ｍｒａｄ以上の散乱角の透過電子を検出することが暗視野像の形成に不可欠であることを見出した。
【００１４】
暗視野検出器１４の下方に明視野検出器１７を配置し、暗視野検出器１４と明視野検出器１７の間に明視野絞り１６を備え、明視野絞り１６の開口を通過する明視野信号（非散乱電子＋非弾性散乱電子）１５を検出することにより、明視野像の観察が可能である。明視野絞り１６は、図６のような構造で異なる大きさの２個以上の開口２０を有する。明視野信号は、薄膜試料の厚さに応じて透過量が異なるため、試料が厚い場合には、Ｓ／Ｎをよくするため大きな孔径の明視野絞りを用い、試料が薄い場合には、高コントラストを得るため小さな孔径の明視野絞りを用いる。図６に例示した明視野絞り１６は孔径の異なる４個の開口を有するが、明視野絞り１６が有する開口の数は４個に限られない。
【００１５】
図７は、走査電子顕微鏡中における暗視野検出器の他の配置例を示す図である。本例では、対物レンズ１１内に置かれた試料９と対物レンズ下磁極１２ｂとの間に暗視野検出器１４を設置している。この暗視野検出器の配置によると、図１に示すように、走査電子顕微鏡の対物レンズ１１の下磁極１２ｂの下方に暗視野検出器を配置した場合よりも更に散乱角の大きな電子（弾性散乱電子１３）を検出できる。なぜならば、下磁極１２ｂの下方では、下磁極の孔径に遮られない散乱電子のみが検出されるが、下磁極１２ｂよりも上方にあると、散乱電子を遮るものが無いからである。ただし、下磁極１２ｂの上方に検出器を配置する構造は、上記利点はあるが、試料傾斜が制限される欠点もある。
【００１６】
図８は、対物レンズ内に置かれた試料と対物レンズ下磁極との間に暗視野検出器を設置する方法の一例を示す説明図である。暗視野検出器１４は支柱２３を介して鏡体外側に設置された操作部材２５と結合されている。鏡体外側から挿入する構造で、真空ベローズ２４によって真空封止されており、ＳＴＥＭ以外の観察で、試料傾斜角を大きくしたい場合、必要に応じて光軸上から引き出すことが可能である。
【００１７】
暗視野検出器１４は、図９に示すように円周方向に複数に分割してもよい。試料が結晶体の場合、透過電子の回折によりある特定の方向にだけに強い信号が出ることがあるが、暗視野検出器１４を分割することにより、その特定の回折角の信号のみを検出することが可能となる。各分割要素で検出した暗視野信号を同時に出力でき、各々の検出要素の信号を選択、もしくは演算する手段を設け、この手段により、特定の方向に散乱透過した電子のみの情報を高コントラストに表示することができるようにした。ここでは、暗視野検出器１４を例として４分割にしているが、２分割以上なら何分割でもよく、分割数は多い方が好ましい。本実施例では、分割した検出素子の信号をＳＷ１〜ＳＷ４のスイッチで選択後、ＳＷ１１〜ＳＷ１４で各検出素子の加減算の設定を行う。その後、信号加算回路３０で選択した信号のみを加算する。この構成により、所望の検出素子の信号を選択したり、検出素子の信号を加減算した信号でＳＴＥＭ像を観察することができる。
【００１８】
図１０は、暗視野検出器１４を対物レンズ下磁極１２ｂよりも下側に配置した実施例である。暗視野検出器を下磁極１２ｂよりも下方に配置すると、ある程度の散乱角までに検出角度が制限されるが、検出器の位置を、図５に示す透過電子のクロスオーバ点付に配置すれば、近少なくとも１００ｍｒａｄ以上の散乱角の検出は可能であり、しかも試料傾斜の制限を与えずに済むため、検出器の出し入れ等の操作が不要になって操作性が向上する。暗視野検出器１４と明視野絞り１６の間には、明視野信号１５を偏向するための偏向器１９を設置した。偏向器１９により明視野信号１５が所望の絞り孔２０を通過するようにアライメントする。これにより、明視野像の観察において、試料の厚さに対応して適切な信号量が確保でき、薄い試料の場合には、さらに高コントラストな明視野像の観察が可能である。
【００１９】
暗視野検出器１４は、図１０に示すように光軸に沿った方向に移動可能な構造にし、半導体試料に含まれる重い元素（例えばタングステンやＣｕ等）で大きく散乱した透過電子を検出する場合には、暗視野検出器１４を対物レンズ下磁極１２ｂに近接した位置に移動し、軽元素主体の試料（例えば生物試料）を観察する場合（散乱角の小さい透過電子を検出する場合）は、暗視野検出器１４を対物レンズ磁極から離した位置に移動する。これにより、暗視野検出器１４で検出される透過電子の散乱角範囲を任意に変更することができる。薄膜試料を構成する元素に適した検出範囲で高コントラストなＳＴＥＭ像を得ることができる。
【００２０】
図１１に散乱角範囲の違いによる暗視野像の比較を示す。試料は薄片化したＭＯディスクである。（ａ）は試料中で散乱することなく透過した電子のみを検出して得た明視野像、（ｂ）は散乱角１００ｍｒａｄ以上の透過電子を検出した暗視野像、（ｃ）は散乱角１００ｍｒａｄ未満の透過電子を検出した暗視野像である。（ｃ）は検出角が小さく十分な信号が得られていないため、明視野像に対して記録層の正しいコントラスト反転が起きていない。この図から、重い元素の暗視野ＳＴＥＭ像を得るには、散乱角の大きな信号を捕らえる必要のあることがわかる。
【００２１】
暗視野検出器１４の移動手段の構成例を図１２に示す。（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。本例では、移動手段をモータドライブ化している。
暗視野検出器１４は支柱２３を介して操作部材２５と結合されている。操作部材２５には明視野検出器１７も結合されている。暗視野検出器１４と明視野検出器１７の間に、鏡体側面から明視野絞り１６が固定されている。操作部材２５は真空ベローズ２４により真空封じされた状態で、モータ２７で駆動されるネジ２６により光軸に沿って移動し、暗視野検出器１４の移動が可能となる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、低加速電圧における試料内散乱角の大きな透過電子が検出でき、さらに散乱電子の検出領域を任意に変化させたり、特定の回折角の暗視野信号のみを検出することができるため、観察試料や目的に適した高コントラストなＳＴＥＭ像の観察が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による、ＳＴＥＭ像の観察が可能な走査電子顕微鏡の構成例を示す概略図。
【図２】従来の一般的なＳＴＥＭ装置の構成を示す図。
【図３】ＳＴＥＭ装置の対物レンズ上下磁極と試料の位置関係を示した概略図。
【図４】走査電子顕微鏡の機能を前提としたＳＴＥＭ装置での対物レンズ上下磁極と試料の位置関係を示した概略図。
【図５】対物レンズ下磁極のレンズ作用を説明する概略図。
【図６】２個以上の開口を有する明視野絞りの概略図。
【図７】走査電子顕微鏡中における暗視野検出器の他の配置例を示す図。
【図８】試料と対物レンズ下磁極との間への暗視野検出器の設置方法を示す図。
【図９】分割した暗視野検出器の概略図。
【図１０】明視野信号を偏向する偏向器を有し、暗視野検出器が光軸に沿って移動する機構を説明した概略図。
【図１１】検出散乱角の違いによる暗視野像の比較を示す図。
【図１２】暗視野検出器の移動手段の構成例を示す図。
【符号の説明】
１…一次電子線、２…電界放出型電子銃、３…引き出し電極、４…電子を加速する陽極、５…第一の集束レンズ、６…対物レンズ絞り、７…第二の集束レンズ、８…偏向コイル、９…試料、１０…二次電子検出器（反射電子検出器）、１１…対物レンズ、１２ａ…対物レンズ上磁極、１２ｂ…対物レンズ下磁極、１３…暗視野信号（弾性散乱電子）、１４…暗視野検出器、１５…明視野信号（非散乱電子＋非弾性散乱電子）、１６…明視野絞り、１７…明視野検出器、１８…像観察用ＣＲＴ、１９…透過電子用アライメント、２０…明視野像用絞り孔、２１…暗視野像用絞り孔、２２…制御レンズ、２３…支柱、２４…真空ベローズ、２５…操作部材、２６…ネジ、２７…モータ、３０…信号加算回路

Claims

電子源から放出された電子線を加速する手段と、加速された電子線を試料上に集束させる対物レンズと、電子線を試料上に二次元的に走査するための走査手段と、試料を透過した電子を検出するための透過電子検出器と、前記透過電子検出器からの信号を用いて試料像を記録あるいは表示する手段とを備えた電子線装置において、
前記対物レンズは、試料をレンズ磁極間に配置するインレンズ形の対物レンズであり、前記透過電子検出器は、試料より下方の前記対物レンズの下磁極に近接した位置に配置されていることを特徴とする電子線装置。
請求項１記載の電子線装置において、前記透過電子検出器は、試料と前記対物レンズの下磁極との間に配置されていることを特徴とする電子線装置。
請求項１記載の電子線装置において、前記透過電子検出器は、前記対物レンズの下磁極よりも下方に配置されていることを特徴とする電子線装置。
請求項１記載の電子線装置において、前記透過電子検出器は、試料を透過した電子が再集束する位置よりも下方であって、試料内散乱角が１００ｍｒａｄ以上の透過電子が検出される位置に配置されていることを特徴とする電子線装置。
請求項１〜４のいずれか１項記載の電子線装置において、前記透過電子検出器は、その中央部が透過電子を検出しない構造を有することを特徴とする電子線装置。
電子源から放出された電子線を加速する手段と、加速された電子線を試料上に集束させる対物レンズと、電子線を試料上に二次元的に走査するための走査手段と、試料を透過した電子を検出するための透過電子検出器と、前記透過電子検出器からの信号を用いて試料像を記録あるいは表示する手段とを備えた電子線装置において、
前記透過電子検出器は中央部が透過電子を検出しない暗視野検出器であり、前記対物レンズの下磁極よりも下方側の領域において前記暗視野検出器を光軸に沿った方向に移動させる検出器移動手段を有することを特徴とする電子線装置。
請求項６記載の電子線装置において、前記暗視野検出器は中央部を電子が透過できる形状を有し、前記暗視野検出器の下方に前記中央部を透過した電子を検出する明視野検出器を備えることを特徴とする電子線装置。
請求項７記載の電子線装置において、前記暗視野検出器と前記明視野検出器との間に、２個以上の開口を有する明視野絞りと、前記暗視野検出器の中央部を透過した電子が前記明視野絞りの１つの開口を通過するように当該電子の前記明視野絞り上での位置を制御するアライメント手段とを備えることを特徴とする電子線装置。
請求項１〜８のいずれか１項記載の電子線装置において、前記暗視野検出器は円周方向に２つ以上の部分検出器に分割されており、前記部分検出器で検出された信号を選択、もしくは加減算して出力する演算装置を備えていることを特徴とする電子線装置。