JP2007250223A - Scanning electron microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、走査電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:以下、SEMと略す)に関わり、特に低加速時における高分解能観察が可能なSEM技術に関する。 The present invention relates to a scanning electron microscope (hereinafter abbreviated as SEM), and more particularly to an SEM technique capable of high-resolution observation at low acceleration.
従来のSEMでは磁界型の対物レンズが採用され、高分解能化の観点からはレンズの短焦点化に工夫が成されている。 A conventional SEM employs a magnetic field type objective lens, and is devised to shorten the focal length of the lens from the viewpoint of high resolution.
特許文献1では、試料は対物レンズの磁極間に配置され、短焦点化が図られている。また薄膜試料の場合はSEM画像ばかりでなくSTEM(透過型走査電子顕微鏡;Scanning Transmission Electron Microscope)画像が有用であることが開示されている。特許文献2では、対物レンズの内側磁極および外側磁極のいずれもが試料に対し、電子銃側に配置され、試料は両磁極が試料側に形成する漏洩磁界(あるいは磁束)の中に配置される。特許文献3では、図2に示すように対物レンズ13の内側磁極13aおよび外側磁極13bのいずれもが試料12に対し、電子銃とは反対側に配置されている。これにより、対物レンズ13が発生する磁場強度を試料上で十分強くなるように磁路ギャップを配置している。また、対物レンズの試料搭載側部を平面形状から凸形状にすることにより半導体ウエハ試料などが傾斜できることも開示されている。いずれの形状の対物レンズにおいても、試料12と二次電子検出器10の間に二次電子の飛行を遮る構造物が全く無いため、二次電子の収集率としてほぼ100%を達成している。特許文献4では、図2と同様な対物レンズ、つまり、試料に対し電子銃と反対側に設置されており、その内側磁極は試料に向かってと突き出している対物レンズが開示されている。しかし、外側磁極に接続された試料側の金属板はステンレススチルのような非磁性材料であり、磁束を試料近傍に制限する構造となっていない。
In
非特許文献1では、図3に示すようにシュノーケルレンズと記載されているレンズが本発明に関連する従来対物レンズであり、そこには内側磁極13aの端部近傍の磁束密度を増大するために円錐台形状にすることが開示されている。
In
本発明の目的は、特許文献3と非特許文献1に開示されている対物レンズ、つまり、対物レンズの内側磁極と外側磁極より電子銃側に、試料を配置する対物レンズにおいて、高分解能化(低収差化)を実現することにある。
An object of the present invention is to increase the resolution of an objective lens disclosed in
上記の課題を解決するための磁界型レンズの設計基本方針は、レンズの光軸上磁束密度分布B(z)において如何にしてBを強く、かつレンズの厚み(つまりB分布のz幅)を薄くするかに尽きる。そのためには対物レンズ13の内側磁極と外側磁極の形状や配置を見直し、試料上の電子ビーム照射部近傍のみに磁界を集中させる必要がある。そのためには先ず図4に示すように内側磁極13aを円錐台形状にし、試料12はその円錐台の台側近くに配置する。これにより、円錐台磁極から出る磁力線を試料上の電子ビーム照射部近傍に集中させることができる。次に、B(z)分布幅を狭めるために、外側磁極13bのその磁極断面を内側磁極側で薄くなるテーパ形状にして内側円錐台磁極の台を目指して最近接させ、円錐台磁極から出て試料を通過した磁力線20を電子銃側に大きく張り出さないように取り込むのである。ただし、テーパ部の厚さは磁気飽和を起こさない程度に確保しておく必要がある。
The basic design policy of the magnetic field type lens for solving the above-mentioned problem is how to increase B in the magnetic flux density distribution B (z) on the optical axis of the lens and to increase the thickness of the lens (that is, the z width of the B distribution). It's all about thinning. For this purpose, it is necessary to review the shape and arrangement of the inner and outer magnetic poles of the
内側円錐台磁極とテーパ断面形状の外側磁極との組合せにより、レンズ磁束密度分布
B(z)を強く、かつその分布z幅が狭くできるため、従来にない低収差対物レンズが実現できる。これにより高分解能のSEM観察が可能になる。
The combination of the inner frustoconical magnetic pole and the outer magnetic pole having a tapered cross-sectional shape can increase the lens magnetic flux density distribution B (z) and narrow the distribution z width, thereby realizing an unprecedented low aberration objective lens. This enables high-resolution SEM observation.
以下に図面を用いて、本発明の一例を説明する。 An example of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本発明の第一の実施例である走査電子顕微鏡の装置構成を説明する(図1参照)。電界放出形電子銃2に対して3〜6kVの電圧を引き出し電極3印加して、電子線1を引き出し、加速電極4により0.5 〜30kVに加速(あるいは減速)される。電子線1は理想光軸(偏向を受けないときの電子線の通過軌道)に沿って加速される。
The apparatus configuration of the scanning electron microscope according to the first embodiment of the present invention will be described (see FIG. 1). A voltage of 3 to 6 kV is applied to the field
加速された電子線1は、第一の集束レンズ5によって集束され、対物レンズ絞り6によりビームの不要な部分が除かれる。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と第一の対物レンズ11による第一の組合せ、あるいは第二の集束レンズ7と第二の対物レンズ13による第二の組合せによって試料12上に絞られる。この細く絞られた電子線1は二段の偏向コイル8により試料上で二次元的に走査される。試料から放出された二次電子(または反射電子)14は第一の対物レンズ11内に配置された二次電子加速電極17によって光軸の周りを大きく広がることなく加速状態で電子銃2側に引き上げられた後、ExBフィルター9で光軸外に外されて二次電子検出器(又は反射電子検出器)10で検出される。ただし、反射電子の場合は、正確には、一旦、反射電子を引き上げた後に変換板(図表示なし)に衝突させて二次電子を発生させて変換し、その変換二次電子がExBフィルター9で光軸外に外されて二次電子検出器(又は反射電子検出器)10で検出されることになる。
The accelerated
二次電子検出器(又は反射電子検出器)10で検出された検出信号は、増幅器で増幅され、偏向コイル8の偏向信号と同期した走査像の輝度信号に用い、SEM画像として像表示装置(例えば、CRTや液晶の表示画面)22に形成される。第二の集束レンズ7と第二の対物レンズ13による第二の組合せは、特に、加速電圧が0.5 〜5kVの低加速時における高分解能観察モードの場合に用いるものである。一方、第二の集束レンズ7と第一の対物レンズ11による第一の組合せは、加速電圧が0.5 〜30kVにおける通常の観察モードの場合に用いるものである。0.5 〜5kVの低加速時における通常観察モードでは、特に低倍率のSEM観察ができるのが特長である。第一の対物レンズ11と第二の対物レンズ13は同時に動作させることはなく、モード毎にモード切り替え手段20にて切り替えられる。
A detection signal detected by the secondary electron detector (or backscattered electron detector) 10 is amplified by an amplifier and used as a luminance signal of a scanning image synchronized with the deflection signal of the
試料12の厚さが約0.2μm 以下の薄膜の場合は、約15〜30kV以上の高加速電圧の電子ビームは試料12を透過する。透過電子15は電子の入射方向に対し散乱角の大きい散乱電子と小さい非散乱電子に分けられそれぞれ暗視野および明視野の検出器で検出される。透過電子検出器16は暗視野および明視野の検出器を合わせたものである。これらからの検出信号を輝度信号として利用すればSEM画像と同様なSTEM画像が得られる。対物レンズ13の第1内側磁極13aには透過電子15通過用の孔が設けられ、試料12側近傍の孔形状を円錐とし、その円錐頂角は60〜90°の範囲にある。第1内側磁極13はその磁極端面が、電界放射形電子銃2に向かって形成されており、理想光軸に対し垂直な磁極端面を備えている。
In the case where the thickness of the
散乱電子ビームを用いる暗視野画像では、散乱角としてより広角の散乱電子の検出が好ましいことが経験的にわかっているが、テーパ断面形状の外側磁極11bとの空間的干渉制約から孔円錐の頂角は60°〜90°が最適である。STEM観察を取り込まないSEM装置においては、もちろんこの円錐孔は本質的には不必要であるが、薄膜試料のSEM観察において、透過電子15の円錐台磁極からの背面散乱電子に起因したノイズ発生の抑止観点からは、径の細い円柱孔にしろ設けておくのが好ましい。
In a dark field image using a scattered electron beam, it has been empirically known that detection of scattered electrons having a wider angle is preferable as a scattering angle, but the top of the hole cone is restricted due to spatial interference with the outer
次に、軸上磁束密度分布B(z)分布における内側磁極13aの台径D[mm],外側磁極13bの内径d[mm],外側磁極13bの内側磁極13aに対する突き出し量zL[mm]の影響について述べる。前述のパラメータ(D,d、およびzL)および他のパラメータ(内側磁極13aの外径Dout[ mm]および円錐半頂角α[°]、外側磁極13bの外径dout [mm])を図5に示す。代表的なB(z)分布および球面収差係数Cs[mm]および色収差係数Cc[mm]のd依存性をそれぞれ図6および図7に示す。ただし、(α,
D,zL)=(45,2,0)および(Dout,dout) =(20,60)である。試料は内側磁極13aの台面をz原点とし、その電子銃側手前0.5mm(つまり、z=−0.5)位置に置く。d=5,6,8,12はd/D=2.5,3,4,6 に対応する。Dout およびdout はDおよびdに比べては数倍以上大きく、図6や図7の特性カーブには余り影響を与えない。そこで、Cs,Cc,dおよびD間にはスケーリング則が成立し、そこでは、例えばd/Dをある特定値に固定してDを2倍に大きくすれば、Cs,Ccも2倍に増大することになる。図6において重要なポイントは、z=−2mm位置において、つまり円錐台磁極の台面から台径D離れた点Pを支点としてB(z)分布カーブはd/Dの増減
(2.5 ⇔6)に対しシーソの様に変化する。d/Dが小さくなるほど、B(z)分布は急峻になって分布幅が狭くなり、図7に示すように収差係数CsおよびCcも小さくなる。実配置の観点からは、外側磁極13bのその磁極断面を内側磁極側で薄くなるテーパ形状にして内側円錐台磁極の台を目指して最近接させるにはd/Dが4以下であることが必要であり、かつ、円錐台磁極の持つ低収差特徴を活かすにはDは6mm以下であることが必要である。領域D>6mmでは、条件d/D=2.5下でも(Cs,Cc)は(1.1,2.0)と大きくなり、従来対物レンズと同等になってくるからである。
Next, axial magnetic flux density distribution B (z) Tai径D [mm] of the inner
D, z L ) = (45, 2, 0) and (D out , d out ) = (20, 60). The sample is placed at a position 0.5 mm (that is, z = −0.5) in front of the electron gun side with the base surface of the inner
次に、B(z)分布のzL 依存性を図8に示す。ただし、d=2で他パラメータ値は図6と同じである。zLが−1から+2の範囲ではzLが大きいほどB(z)分布が急峻になり好ましい。zL =+4では、B(z)分布カーブのz=−d当たりに肩ピークが発生してB(0)値も低下するため、レンズ磁場として好ましくない。zL>0の領域では、円錐台磁極の台面が外側テーパ磁極より後退して凹部空間の底となるため、試料12を円錐台磁極の台面に接近させる配置が取りづらくなる。さらに、試料12の配置が円錐台磁極の台面から離れるにつれ、B(z)分布のレンズ有効領域が小さくなる短所も伴ってくる。zL <0の領域では、外側テーパ磁極が内側円錐台磁極の円錐側面に最近接するため、その両磁極の最近接部近傍でB大きくなり磁気飽和が起こり易くなる。図9はレンズコイル13cが1000AT(コイル巻数N[T]と電流I[A]の積)である時の外側磁極13bと円錐孔付き内側磁極13aにおけるB分布をグレー輝度表示した代表例で、両磁極の最近接部近傍でBが大きくなっており、その最大値Bmaxは約2.3Tである。磁極材料としてよく採用するパーメンダにおいては、その飽和磁束密度は約2.4T である。材料の磁束飽和を超えた強励磁レンズは作ればいので、試料のサイズや配置操作性を実用的観点からB強度とバランスさせると、zLはほぼ0に設定するのが最も好ましい。
Next, FIG. 8 shows the z L dependency of the B (z) distribution. However, d = 2 and other parameter values are the same as those in FIG. When z L is in the range of −1 to +2, it is preferable that z ( L ) distribution becomes steeper as z L increases. When z L = + 4, a shoulder peak occurs around z = −d of the B (z) distribution curve and the B (0) value also decreases, which is not preferable as a lens magnetic field. In the region of z L > 0, the base surface of the truncated cone magnetic pole recedes from the outer tapered magnetic pole and becomes the bottom of the concave space, so that it is difficult to arrange the
第二の実施例を図10にて説明する。対物レンズ13の内側磁極13aを円錐端側部
13a1とその基部13a3とを内側磁極電気的絶縁部13a2を介して分離する。同様に外側磁極13bを試料側テーパ磁極13b1とその基部13b3とを外側磁極電気的絶縁部13b2を介して直流電位的に分離する。ただし、円錐端側部13a1とテーパ磁極13b1は、それぞれの基部とは磁気的には強く結合させてある。両基部を接地電位とし、一方、円錐端側部13a1とテーパ磁極13b1には電位Vdecel を印加する。また、試料12にも試料ホルダー(図示せず)を介して電位Vdecel を印加し、試料12の電子ビーム入射側近傍に入射電子ビーム用の穴を開けたメッシュ状あるいは板状の電位シールド板17を置き、通常、接地電位にする。この電位配置により、電子加速電位をVacc とすると、電子ビームは電位シールド板17と試料12間で減速され、試料12へは入射電圧はVacc−Vdecelになる。この減速電位でもレンズ作用が働き、収差係数Csおよび
Ccは小さくできる特長がある。例えば、zL が0の対物レンズにおいて錐電極台面から5mm離して電位シールド板17を、また試料12は0.5mm離して置いた場合、収差係数CsおよびCcはVdecel/Vaccに対し、図11のように振舞う。例えば、試料12への電子ビームの入射エネルギーを200eVにする場合において、電位シールド板17を働かさない場合、つまり(Vdecel,Vacc)=(0,−200)[単位:V]の時の(Cs,Cc)=(0.54,1.1)[単位:mm]であるが、電位シールド板17を働かして
(Vdecel ,Vacc )を(−1000,−800)とすると(Cs,Cc)は(0.30,0.39 )とそれぞれ(56,35)%に低減できる。このような低加速SEM観察においては、この減速モード動作がビーム性能を劣化させないので高分解能観察が可能になる。
A second embodiment will be described with reference to FIG. The inner
高分解能化を実現するには、電子銃2に輝度が高く、光源サイズの小さく、かつ放出電子のエネルギー幅の小さいものが必要で有り、実施例の1および2のいずれにおいても、電界放出形を採用した。電界放出形には、さらに分類して、冷陰極電界放出(CFE),ショットキー、およびカーボンナノチューブ(CNT)がある。最も高分解能化にはCFEを、一方、最も時間的な高安定化にはショットキーを採用した。CNTはこれらの両者を兼ね備えたものとして現在、開発中のものであり、まだ実用的な信頼性が不足している。
In order to achieve high resolution, the
1…電子線、2…電子銃、3…引き出し電極、4…加速電極、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…ExBフィルター、10…二次電子検出器(又は反射電子検出器)、11…第一の対物レンズ、11a,13a…内側磁極、11b,13b…外側磁極、11c,13c…レンズコイル、12…試料、13…対物レンズ、14…二次電子(あるいは反射電子)、15…透過電子、16…透過電子検出器、17…電位シールド液、20…モード毎に切り替え手段、21…電気系制御部、22…像表示装置。
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記試料を前記電子銃と前記内側磁極との間に試料を配置するための試料ステージを備え、前記対物レンズは、前記電子線の理想光軸に沿って且つ前記電子銃に向かって磁極端面が形成される内側磁極と、当該内側磁極との間で前記電子線を集束する磁場を形成する外側磁極を有すると共に、当該内側磁極の前記電子銃側磁極端の前記理想光軸と垂直な方向の径Dが6mm以下であって、且つ前記外側磁極の前記電子線通過開口径dと前記径Dとの関係が、d/D≦4となるように構成されていることを特徴とする走査電子顕微鏡。 In a scanning electron microscope provided with an electron gun and an objective lens that focuses an electron beam emitted from the electron gun,
A sample stage for disposing the sample between the electron gun and the inner magnetic pole; and the objective lens has a magnetic pole end surface along the ideal optical axis of the electron beam and toward the electron gun. An inner magnetic pole to be formed and an outer magnetic pole for forming a magnetic field for focusing the electron beam between the inner magnetic pole and a direction perpendicular to the ideal optical axis of the electron gun side magnetic pole end of the inner magnetic pole Scanning electrons characterized in that the diameter D is 6 mm or less and the relationship between the electron beam passage opening diameter d of the outer magnetic pole and the diameter D is d / D ≦ 4 microscope.
上記対物レンズ1を構成する内側磁極と外側磁極の両磁極は、上記試料に対し上記電子銃側と反対側にあって、
上記内側磁極はその試料側端が円錐台形状であり、
一方、上記外側磁極においては、該レンズ軸を含むその磁極断面が上記内側円錐台磁極に向かうテーパ形状で、その円錐台磁極の試料側端近傍が最近接箇所となる
ことを特徴とした走査電子顕微鏡。 In a scanning electron microscope comprising an objective lens for focusing an electron beam from an electron gun onto a sample, and observing the sample using a signal generated from the sample,
Both the inner magnetic pole and the outer magnetic pole constituting the objective lens 1 are opposite to the electron gun side with respect to the sample,
The inner magnetic pole has a truncated cone shape at the sample side end,
On the other hand, in the outer magnetic pole, the cross section of the magnetic pole including the lens axis has a tapered shape toward the inner frustoconical magnetic pole, and the vicinity of the sample side end of the frustoconical magnetic pole is the closest location. microscope.
上記対物レンズ2を構成する内側磁極と外側磁極の両磁極は、上記試料に対し上記電子銃側にあることを特徴とする請求項2に記載の走査電子顕微鏡。 It also has an objective lens 2 that is different from the objective lens 1,
The scanning electron microscope according to claim 2, wherein both the inner magnetic pole and the outer magnetic pole constituting the objective lens 2 are on the electron gun side with respect to the sample.
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