JP2007109509A

JP2007109509A - 電磁レンズの球面収差測定方法及び球面収差測定装置

Info

Publication number: JP2007109509A
Application number: JP2005298799A
Authority: JP
Inventors: Yasutoshi Odaka; 康稔小高; Nobuto Nakanishi; 伸登中西; Takashi Yamazaki; 貴司山崎; Kazuto Watanabe; 和人渡辺
Original assignee: Tokyo University of Science; Fujitsu Ltd
Current assignee: Tokyo University of Science; Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2005-10-13
Publication date: 2007-04-26

Abstract

【課題】実際の電磁レンズの球面収差係数を高精度に測定することができる電磁レンズの球面収差測定方法及び球面収差測定装置を提供する。
【解決手段】対物レンズ（電磁レンズ）１６を透過した電子線を格子定数が既知の単結晶試料２０に入射し、撮像素子１８によりロンチグラムの画像データを取得する。制御部１０は、撮像素子１８からロンチグラムの画像データを入力し、画像処理して画像のスケールのキャリブレーションを行い、ライン強度プロファイルのフィッティングにより得られる直線の傾きから球面収差係数を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子顕微鏡や電子線リソグラフィー等に使用される電磁レンズの球面収差を測定する電磁レンズの球面収差測定方法及び球面収差測定装置に関する。

走査透過電子顕微鏡等の電子線を用いた装置では、電磁レンズにより電子線（電子ビーム）を拡大又は収束して、電子線プローブのサイズと電流密度とを調整している。電子顕微鏡における高空間分解能観察や分析では、極微小な形状であって電流密度が高い電子線プローブを形成することが重要である。

電子線プローブのサイズは、電子線波長、電子線入射角度及び電磁レンズの球面収差により決定される。電子線波長は加速電圧により制御可能であり、入射角度は電磁レンズにより制御可能である。しかし、球面収差は電磁レンズに固有のものであり、装置、レンズ構成及びレンズ条件等によりそれぞれ異なる。そのため、任意の大きさの電子線プローブを正確に形成するためには、球面収差係数を正確に把握することが重要である。

また、半導体素子や量子ドットの製造プロセスにおいては、ナノメータレベルでの微細加工に電子線リソグラフィーが使用されている。電子線リソグラフィーでは電磁レンズの性能が加工精度に大きく影響するため、電磁レンズの球面収差を知ることは重要である。

従来、０．５ｍｍ以下の球面収差係数を実測する技術や、０．５ｍｍ以上であっても０．０１ｍｍの精度で球面収差係数を実測する技術は確立されていなかった。通常、電磁レンズの球面収差係数は、レンズ光学に基づくシミュレーションにより算出している。

近年、電磁レンズの球面収差を補正する球面収差補正装置が開発されている。この球面収差補正装置を用いた場合の電磁レンズの球面収差係数も、レンズ光学に基づくシミュレーションにより算出している。

なお、特表２００３−５２１８０１号公報には、走査顕微鏡において、アンダーフォーカス及びオーバーフォーカスの条件で複数の映像を取得し、それらの映像をフーリエ変換処理し、焦点の合った映像の変形で分割した後に逆変換する等の工程を経て、幾何学収差を３次まで検出する方法が記載されている。

また、特開平５−１４４７０２号公報には、半導体製造に使用するＸ線露光装置及び電子線描画装置等において、所定の球面収差を有する対物レンズを用いることにより、ウエハの厚さが異なる場合も良好な焦点合わせが可能であることが記載されている。
特表２００３−５２１８０１号公報特開平５−１４４７０２号公報

しかしながら、球面収差補正装置は複雑な補正を行っているため、補正条件によって球面収差係数が変化するという問題点がある。また、シミュレーションにより球面収差係数を算出する方法では、装置固有の微妙なレンズ構成の変化や環境変化及び操作者の巧劣によるレンズ条件の変化が考慮されないため、実際の電磁レンズの球面収差係数を正確に把握することができない。

以上から、本発明の目的は、実際の電磁レンズの球面収差係数を高精度に測定することができる電磁レンズの球面収差測定方法及び球面収差測定装置を提供することである。

上記した課題は、電磁レンズを透過した電子線を格子定数が既知の試料に入射し、前記試料の裏面側に配置した撮像素子によりロンチグラムの画像データを取得し、制御部において、前記ロンチグラムの画像データを画像処理して画像のスケールのキャリブレーションを行い、ライン強度プロファイルのフィッティングにより得られる直線の傾きから前記電磁レンズの球面収差係数を算出することを特徴とする電磁レンズの球面収差測定方法により解決する。

また、上記した課題は、電子線を発生する電子線発生部と、前記電子線発生部で発生した電子線を収束する収束レンズと、試料を搭載する試料搭載部と、前記収束レンズと前記試料搭載部との間に配置された電磁レンズと、前記試料搭載部に搭載された試料に前記電磁レンズを透過した電子線を入射して得られるロンチグラムを撮像する撮像素子と、前記電子線発生部、前記収束レンズ及び前記電磁レンズを制御するとともに、前記撮像素子から前記ロンチグラムの画像データを取得する制御部とを有し、前記制御部は、前記ロンチグラムの画像データを画像処理して画像のスケールのキャリブレーションを行い、ライン強度プロファイルのフィッティングにより得られる直線の傾きから前記電磁レンズの球面収差係数を算出することを特徴とする電磁レンズの球面収差測定装置により解決する。

本発明においては、電磁レンズの球面収差係数を実測するので、個々の装置に対応することが可能であり、電子線プローブのサイズ及び強度を高精度で制御することができる。

本発明を電子顕微鏡に適用した場合は、従来に比べてより良好な条件で高空間分解能観察や高感度分析を行うことができる。また、本発明を電子線リソグラフィーに適用した場合は、目的の大きさのデバイスを高精度で加工することができる。

本発明は、Ｓｉ単結晶又はＳｒＴｉＯ₃単結晶等のように比較的入手しやすい単結晶試料を用いて電磁レンズの球面収差を０．０１ｍｍの精度で測定できる。また、球面収差補正装置を導入した場合でも対応することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付の図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電磁レンズの球面収差測定装置を示す模式図である。なお、本実施形態は、本発明を走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）に適用した例について説明している。

本実施形態の球面収差測定装置は、制御部１０と、電子銃１１と、収束レンズ１２ａ，１２ｂと、収束レンズ絞り１３と、試料搭載部１４と、走査コイル１５と、対物レンズ１６と、二次電子検出器１７と、撮像素子（ＣＣＤカメラ又はＴＶカメラ）１８と、ＳＴＥＭ検出器１９とにより構成されている。

電子銃１１は、制御部１０からの信号に応じた加速電圧で電子線を放出する。電子銃１１の下方には、２又は３段（図１では２段）の収束レンズ１２ａ，１２ｂが配置されている。これらの収束レンズ１２ａ，１２ｂは、制御部１０からの信号に応じて、電子銃１１から放出された電子線から所望の大きさ且つ所望の電流の電子線プローブを形成する。

収束レンズ１２ａ，１２ｂの下方には収束レンズ絞り１３が配置されている。収束レンズ１２ａ，１２ｂにより形成された電子線プローブは不要な広がり部分をもつため、この収束レンズ絞り１３により広がり部分をカットする。

収束レンズ絞り１３と試料搭載部１４との間には、走査コイル１５及び対物レンズ（電磁レンズ）１６が配置されている。走査コイル１５は、制御部１０からの信号に応じて、試料搭載部１４に搭載された試料２０の表面上を電子線が走査するように電子線を屈折する。また、対物レンズ１６は、制御部１０からの信号に応じて、試料２０の表面（又は、その近傍）で焦点が合うように電子線を屈折する。試料搭載部１４には、試料２０に入射する電子線に対し試料２０の結晶方位を調整するための試料傾斜機構（図示せず）が設けられている。

二次電子検出器１７は試料２０の斜め上方に配置されており、試料２０から放出された二次電子を検出して、その検出結果を制御部１０に出力する。

試料２０の下方には、撮像素子１８及びＳＴＥＭ検出器１９が配置されている。撮像素子１８により、電子回折像やロンチグラム（Ronchigram）が記録される。また、ＳＴＥＭ検出器１９により、ＳＴＥＭ像が記録される。ＳＴＥＭ検出器１９を使用するときには、制御部１０からの信号に応じて、撮像素子１８はＳＴＥＭ検出器１９の上から側方に移動する。

図２は対物レンズ１６（電磁レンズ）通過時の電子の軌跡を示す模式図である。また、図３は、横軸に正焦点からの距離をとり、縦軸にプローブ強度をとって、球面収差の影響による電子線プローブの形状変化をシミュレーションした結果を示す図である。

図２に示すように、対物レンズ１６の球面収差のために、電子が対物レンズ１６を通る位置によって対物レンズ１６の中心軸（光軸）と電子とが交差する位置が変わり、その結果焦点面に到達する電子の位置が対物レンズ１６の中心軸からずれてしまう。このため、電子線プローブの形状がフォーカス値によって変化する。

図３に示すように、フォーカス値が正焦点に対して−３０ｎｍずれているときは、プローブ強度が低く、プローブ径が大きくなる。フォーカス値が正焦点に対して−５０ｎｍずれているときは、プローブ強度が高くなり、プローブ径が小さくなる。フォーカス値が正焦点に対して−８０ｎｍまでずれると、プローブ強度が−５０ｎｍのときよりも若干低下し、プローブ径が更に小さくなるとともに、主プローブの両脇に小さな副プローブが形成される。

このように、電磁レンズの球面収差の影響により、フォーカス値によって電子線プローブの強度及び形状が変化する。これは、球面収差係数が既知であれば、その他の条件を適切に設定することにより、任意の強度且つ任意の大きさの電子線プローブを形成できることを意味している。

本発明においては、ロンチグラムを用いて電磁レンズの球面収差係数を測定する。図４にロンチグラムの原理を示す。厚さが１００ｎｍ以下の単結晶試料２０に収束半角度αが１５０ｍｒａｄ以上の電子線を任意の結晶方位の晶帯軸で入射することにより、試料２０を回折せずに透過した電子と、試料２０で回折した電子とが干渉して、ロンチグラムが観測される。なお、本願発明者等の実験により、電子線の収束半角度αが１５０ｍｒａｄ未満の場合は、良好なロンチグラムを取得することが困難になることが判明している。また、良好なロンチグラムを取得するためには、単結晶試料２０の厚さを１００ｎｍ以下とし、焦点ずれ量を−３００ｎｍ以上とすることが好ましいことも判明している。

図５は、試料２０としてＳｉ（０１１）単結晶を用いたときのロンチグラムを示している。この図５のロンチグラムでは、０００透過ディスクと１−１１，−１−１１，−１１−１，１１−１の回折ディスクとが干渉してできる模様が現れている。

ロンチグラムは逆格子空間（エネルギー空間）の像であるので、干渉縞のフィッティングを行う際に用いるパラメータを逆格子空間のベクトル成分で表すためには画像のスケールのキャリブレーションを行う必要がある。図６（ａ）〜（ｄ）に、ロンチグラムのキャリブレーション工程を示す。図６（ａ）は実際に観察されたロンチグラムである。このロンチグラムをＦＦＴ（Fast Fourier Transformation ：高速フーリエ変換）処理すると、Ｓｉ（１１０）単結晶の場合は図６（ｂ）に示すように星型のパワースペクトラムが現れる。このパワースペクトラムを更にＦＦＴ処理すると、図６（ｃ）に示すように電子線回折像に相当する像（２回パワースペクトラム像）が得られる。Ｓｉ単結晶の格子定数は既知であるので、この２回パワースペクトラム像を用いて画像のスケールのキャリブレーションを行う。また、図６（ｄ）に示すように、ロンチグラムのライン強度プロファイルを抽出する部分を決定し、ライン強度プロファイルのフィッティングを行う。

図７（ａ）〜（ｃ）にロンチグラムから抽出したライン強度プロファイルのフィッティング結果を示す。ライン強度プロファイルは、低指数反射である１１１回折波と０００透過波が干渉した部分を抽出した。ロンチグラムの干渉縞は下記（１）式により表される。

ここで、ｎは干渉縞の周期、λは電子線波長、Ｃｓは球面収差係数，Ｋｙはライン強度プロファイルの横軸（ｙ方向）成分、Δｆは対物レンズの焦点ずれ量（デフォーカス）である。また、ｇは逆格子のベクトルであり、Ｃは定数である。

（１）式より極値をとるＫｙ²の傾きと干渉の周期ｎをプロットし、その直線の傾きから球面収差係数Ｃｓを計算することができる。ここでは、電子線の波長λを０．００２５１ｎｍとし、対物レンズの焦点ずれ量Δｆを−４００ｎｍとしている。図７（ａ）〜（ｃ）に示す例では、直線の傾きから計算した球面収差係数Ｃｓは１．１０１±０．００２ｍｍとなった。

次に、ＳｒＴｉＯ₃単結晶試料を用いて、Ｓｉ単結晶以外の試料についても本実施形態の球面収差測定方法を適用できるか否かの検証を行った。図８（ａ）〜（ｃ）に、ＳｒＴｉＯ₃（００１）単結晶を用いたロンチグラム観察による球面収差係数測定結果を示す。ＳｒＴｉＯ₃単結晶では００１晶帯軸入射の条件でロンチグラム観察を行った。このときの加速電圧は２００ｋＶであり、焦点ずれ量Δｆは−４００ｎｍである。また、ライン強度プロファイルのフィッティングは０００，１１０、２００の３波干渉により得られた干渉縞を抽出して行った。計算結果から球面収差係数Ｃｓは１．０９２±０．０１１ｍｍとなった。

このように、本実施形態の電磁レンズの球面収差測定方法をＳｉ単結晶以外の試料に適用しても、球面収差係数の値はほぼ同じとなった。本実施形態は、０．５ｍｍ以下の球面収差係数の測定が可能である。また、本実施形態は、電磁レンズの球面収差を０．０１ｍｍの精度で測定することができる。

図９は、本発明の実施形態の球面収差測定方法を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１１において、電子銃１１に供給する加速電圧を設定するとともに、電子線の収束半角度αが１５０ｍｒａｄ以上となるように、収束レンズ１２ａ，１２ｂのレンズ条件及び収束レンズ絞り１３の絞り径を調整する。

次に、ステップＳ１２に移行し、電子線の軌道上に、厚さが１００ｎｍ以下であり且つ格子定数が既知の単結晶試料２０を挿入する。そして、収束した電子線が単結晶試料２０に対し所望の結晶晶帯軸で入射するように、単結晶試料２０の傾斜を調整する。

次に、ステップＳ１３に移行し、対物レンズ１６の焦点を単結晶試料２０の表面上に合わせ、その後対物レンズ１６の励磁電流値を調整して、焦点ずれ量を−４００ｎｍ以上に設定する。対物レンズ１６の励磁電流値を調整する替わりに、試料２０の位置を調整して焦点ずれ量を所定値に設定してもよい。

次に、ステップＳ１４に移行し、撮像素子１８によりロンチグラムを取得し、ステップＳ１５においてそのロンチグラムの画像データを制御部１０に入力する。

その後、制御部１０は、ステップＳ１６において、ロンチグラムの画像データをＦＦＴ処理してパワースペクトラム像を作成し、このパワースペクトラム像を更にＦＦＴ処理して、単結晶試料２０の電子線回折像に相当する２回パワースペクトラム像を作成する。

次に、ステップＳ１７に移行し、２回パワースペクトラム像と単結晶試料２０の格子定数とを用いて、画像のスケールのキャリブレーションを行う。そして、ステップＳ１８に移行し、ロンチグラムのライン強度プロファイルを抽出する部分を決定し、ライン強度プロファイルのフィッティングを行う。

次いで、ステップＳ１９に移行し、前述の（１）式を用いて干渉縞の周期とＫｙ²との関係を算出し、その直線の傾きから球面収差係数Ｃｓを算出する。このようにして、球面収差係数Ｃｓが算出される。

図１０は、電磁レンズの球面収差係数を測定した後のＳＴＥＭ像観察方法を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ２１において、電子線プローブの形状及び強度と、加速電圧、球面収差係数及びレンズ条件との関係をシミュレーションしてデータベースを作成し、制御部１０に記憶しておく。ここで、球面収差係数は、図９のフローチャートに示す方法により求めた値を使用する。

次に、ステップＳ２２において、操作者は制御部１０に記憶されたデータベースを用いて所望の電子線プローブの形状及び強度に応じたレンズ条件を決定する。

次に、ステップＳ２３に移行し、制御部１０は、ステップＳ２２で決定されたレンズ条件に基づいて収束レンズ１２ａ，１２ｂを制御する。その後、ステップＳ２４において収束レンズ絞り１３の絞り径を調整し、ステップＳ２５において対物レンズ１６の焦点ずれ量を調整する。焦点ずれ量は、例えば−５０ｎｍとする。

次に、ステップＳ２６において、操作者は電子線プローブの形状を確認する。電子線プローブが所望の形状でないときにはステップＳ２３，Ｓ２４，Ｓ２５に戻り、収束レンズ１２ａ，１２ｂのレンズ条件、収束レンズ絞り１３の絞り径及び対物レンズ１６の焦点ずれ量を微調整する。

ステップＳ２６において、電子線プローブが所望の形状であることが確認できたらステップＳ２７に移行し、電子顕微鏡観察を行う。これにより、従来に比べてより良好な条件で高空間分解能観察や高感度分析を行うことができる。

上記の例では、本発明をＳＴＥＭに適用した例について説明したが、電子線リソグラフィーに適用してもよい。その場合は、目的の大きさのデバイスを高精度で加工することができる。

以下、本発明の諸態様を、付記としてまとめて記載する。

（付記１）電磁レンズを透過した電子線を格子定数が既知の試料に入射し、
前記試料の裏面側に配置した撮像素子によりロンチグラムの画像データを取得し、
制御部において、前記ロンチグラムの画像データを画像処理して画像のスケールのキャリブレーションを行い、ライン強度プロファイルのフィッティングにより得られる直線の傾きから前記電磁レンズの球面収差係数を算出することを特徴とする電磁レンズの球面収差測定方法。

（付記２）前記制御部は、前記画像のスケールのキャリブレーションを行うときに、前記画像処理として前記ロンチグラムの画像データを２回フーリエ変換することを特徴とする請求項１に記載の電磁レンズの球面収差測定方法。

（付記３）前記試料に入射する電子線の収束半角度を１５０ｍｒａｄ以上とすることを特徴とする請求項１に記載の電磁レンズの球面収差測定方法。

（付記４）前記試料として、Ｓｉ単結晶又はＳｒＴｉＯ₃単結晶を使用することを特徴とする請求項１に記載の電磁レンズの球面収差測定方法。

（付記５）前記試料の厚さが１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の電磁レンズの球面収差測定方法。

（付記６）前記ロンチグラムの透過波と低指数回折波とにより形成される干渉縞から前記ライン強度プロファイルを抽出する部分を決定することを特徴とする請求項１に記載の電磁レンズの球面収差測定方法。

（付記７）前記試料に対する焦点ずれ量を−４００ｎｍ以上に設定することを特徴とする請求項１に記載の電磁レンズの球面収差測定方法。

（付記８）電子線を発生する電子線発生部と、
前記電子線発生部で発生した電子線を収束する収束レンズと、
試料を搭載する試料搭載部と、
前記収束レンズと前記試料搭載部との間に配置された電磁レンズと、
前記試料搭載部に搭載された試料に前記電磁レンズを透過した電子線を入射して得られるロンチグラムを撮像する撮像素子と、
前記電子線発生部、前記収束レンズ及び前記電磁レンズを制御するとともに、前記撮像素子から前記ロンチグラムの画像データを取得する制御部とを有し、
前記制御部は、前記ロンチグラムの画像データを画像処理して画像のスケールのキャリブレーションを行い、ライン強度プロファイルのフィッティングにより得られる直線の傾きから前記電磁レンズの球面収差係数を算出することを特徴とする電磁レンズの球面収差測定装置。

（付記９）前記制御部は、前記画像のスケールのキャリブレーションを行うときに、前記画像処理として前記ロンチグラムの画像データを２回フーリエ変換することを特徴とする請求項８に記載の電磁レンズの球面収差測定装置。

（付記１０）電子線を発生する電子線発生部と、
前記電子線発生部で発生した電子線を収束する収束レンズと、
試料を搭載する試料搭載部と、
前記収束レンズと前記試料搭載部との間に配置された電磁レンズと、
前記電子線発生部、前記収束レンズ及び前記電磁レンズを制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記電磁レンズの球面収差係数の実測値と電子線プローブのサイズとレンズ条件との関係を記憶し、前記電子線プローブのサイズが設定されると、前記球面収差係数と電子線プローブのサイズとレンズ条件との関係を参照して、前記電磁レンズ及び前記収束レンズのレンズ条件を設定することを特徴とする電子線装置。

（付記１１）物質の高空間分解能観察又は高感度分析に使用する装置であることを特徴とする請求項１０に記載の電子線装置。

（付記１２）電子線リソグラフィーに使用する装置であることを特徴とする請求項１０に記載の電子線装置。

図１は、本発明の実施形態に係る電磁レンズの球面収差測定装置を示す模式図である。図２は、対物レンズ（電磁レンズ）通過時の電子の軌跡を示す模式図である。図３は、球面収差の影響による電子線プローブの形状変化をシミュレーションした結果を示す図である。図４は、ロンチグラムの原理を示す模式図である。図５は、Ｓｉ（０１１）単結晶を用いたときのロンチグラムを示す図である。図６（ａ）〜（ｄ）は、ロンチグラムのキャリブレーション工程を示す図である。図７（ａ）〜（ｃ）は、Ｓｉ（１１０）単結晶を用いたロンチグラムから抽出したライン強度プロファイルのフィッティング結果を示す図である。図８（ａ）〜（ｃ）は、ＳｒＴｉＯ₃（００１）単結晶を用いたロンチグラム観察による球面収差係数測定結果を示す。図９は、本発明の実施形態の球面収差測定方法を示すフローチャートである。図１０は、電磁レンズの球面収差係数を測定した後のＳＴＥＭ像観察方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…制御部、
１１…電子銃、
１２ａ，１２ｂ…収束レンズ、
１３…収束レンズ絞り、
１４…試料搭載部、
１５…走査コイル、
１６…対物レンズ、
１７…二次電子検出器、
１８…撮像素子、
１９…ＳＴＥＭ検出器、
２０…試料。

Claims

電磁レンズを透過した電子線を格子定数が既知の試料に入射し、
前記試料の裏面側に配置した撮像素子によりロンチグラムの画像データを取得し、
制御部において、前記ロンチグラムの画像データを画像処理して画像のスケールのキャリブレーションを行い、ライン強度プロファイルのフィッティングにより得られる直線の傾きから前記電磁レンズの球面収差係数を算出することを特徴とする電磁レンズの球面収差測定方法。
前記制御部は、前記画像のスケールのキャリブレーションを行うときに、前記画像処理として前記ロンチグラムの画像データを２回フーリエ変換することを特徴とする請求項１に記載の電磁レンズの球面収差測定方法。
前記試料として、Ｓｉ単結晶又はＳｒＴｉＯ₃単結晶を使用することを特徴とする請求項１に記載の電磁レンズの球面収差測定方法。
電子線を発生する電子線発生部と、
前記電子線発生部で発生した電子線を収束する収束レンズと、
試料を搭載する試料搭載部と、
前記収束レンズと前記試料搭載部との間に配置された電磁レンズと、
前記試料搭載部に搭載された試料に前記電磁レンズを透過した電子線を入射して得られるロンチグラムを撮像する撮像素子と、
前記電子線発生部、前記収束レンズ及び前記電磁レンズを制御するとともに、前記撮像素子から前記ロンチグラムの画像データを取得する制御部とを有し、
前記制御部は、前記ロンチグラムの画像データを画像処理して画像のスケールのキャリブレーションを行い、ライン強度プロファイルのフィッティングにより得られる直線の傾きから前記電磁レンズの球面収差係数を算出することを特徴とする電磁レンズの球面収差測定装置。
前記制御部は、前記画像のスケールのキャリブレーションを行うときに、前記画像処理として前記ロンチグラムの画像データを２回フーリエ変換することを特徴とする請求項４に記載の電磁レンズの球面収差測定装置。