JP2008084643A - 電子顕微鏡及び立体観察方法 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元構造を持つ電子デバイス構造等を全体的且つ高精度に評価しうる立体観察方法及び電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】電子線を生成する電子銃４０と、電子銃４０により生成された電子線を収束して試料４２に入射する収束レンズ４４と、試料４２を透過した電子線の散乱角を制御する結像レンズ４６と、試料４２を透過し記電子線を検出する検出器２０とを有する電子顕微鏡を用い、試料４２を透過した電子線の強度を、電子線の焦点位置を試料４２の深さ方向に変化させて測定することにより、試料４２による電子線の吸収及び散乱の深さ方向の分布を測定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、３次元構造を持つ測定対象物を全体的且つ高精度に測定しうる立体観察方法及び電子顕微鏡に関する。

近年の電子デバイスの微細化に伴い、デバイス構造を評価する技術にも高精度化が求められている。評価技術の中でも、とりわけ透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）並びに走査透過型電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron Microscope：ＳＴＥＭ）は、ナノメートルオーダまで電子線を絞れるため、高精密観察及び分析に有効な技術である。しかしながら、これらの手法は３次元デバイス構造の投影像、すなわち２次元情報しか得ることができず、電子の進行方向（試料の深さ方向）に関する情報を得ることはできない。

このため現状では、３次元構造を持つ電子デバイス構造を全体的に評価するためには、試料の切り出し方向を変えて観察する方法や、多方向から観察した像を３次元構築する方法（電子線トモグラフィ法）等が用いられていた。しかしながら、前者は複数の試料が必要であり、切り出すことにより情報量が不完全となることが問題であった。また、後者も目標物を中心に切り出す必要があり、加工時間の長さと情報量の欠落が問題であった。

一方、ＴＥＭ以外の手法としては、レーザー共焦点顕微鏡法や、ＦＢＩで加工しながらＳＥＭ観察して３次元構築する手法がある。しかしながら、これらの手法は像分解能がＴＥＭやＳＴＥＭに劣るため、微小構造の評価に用いることは困難であった。
特開２００４−１７１９２２号公報 特開平１０−２１４５８７号公報

このように、従来技術には、３次元構造を持つ電子デバイス構造を全体的且つ高精度に評価する手法が存在しなかった。このため、更なる電子デバイスの微細化に向けて、３次元構造を持つ電子デバイス構造を全体的且つ高精度に評価しうる技術が待望されていた。

本発明の目的は、３次元構造を持つ電子デバイス構造等を全体的且つ高精度に評価しうる立体観察方法並びにこのような立体観察方法が可能な電子顕微鏡を提供することにある。

本発明の一観点によれば、電子線を生成する電子銃と、前記電子銃により生成された電子線を収束して試料に入射する収束レンズと、前記試料を透過した電子線の散乱角を制御する結像レンズと、前記試料を透過した前記電子線を検出する検出器とを有する電子顕微鏡を用いた立体観察方法であって、前記試料を透過した前記電子線の強度を、前記収束レンズにより収束する前記電子線の焦点位置を前記試料の深さ方向に変化させて測定することにより、前記試料による前記電子線の吸収及び散乱の深さ方向の分布を測定する立体観察方法が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、電子線を生成する電子銃と、前記電子銃により生成された電子線を収束して試料に入射する収束レンズと、前記試料を透過した電子線の散乱角を制御する結像レンズと、前記試料を透過した前記電子線を検出する検出器と、前記試料を透過した前記電子線の強度を、前記収束レンズにより収束する前記電子線の焦点位置を前記試料の深さ方向に変化して測定することにより、前記試料による前記電子線の吸収及び散乱の深さ方向の分布を測定する処理装置とを有する電子顕微鏡が提供される。

本発明によれば、電子線を生成する電子銃と、電子銃により生成された電子線を収束して試料に入射する収束レンズと、試料を透過した電子線の散乱角を制御する結像レンズと、試料を透過した電子線を検出する検出器とを有する電子顕微鏡において、試料を透過した電子線の強度を、収束レンズにより収束する電子線の焦点位置を試料の深さ方向に変化させて測定するので、試料による電子線の吸収及び散乱等の試料の深さ方向の情報を測定することができる。また、試料に入射する電子線の収束角を制御して視野深度を浅くすることにより、厚さ方向の分解能を大幅に向上することができる。また、試料を透過した電子を結像レンズにより収束して検出器に導入するので、厚さが１μｍを超えるような厚い試料においても、Ｓ／Ｎ比の良好な高精細な画像を得ることができる。

本発明の一実施形態による電子顕微鏡及び立体観察方法について図１乃至図９を用いて説明する。

図１は本実施形態による電子顕微鏡の構造を示す概略図、図２は本実施形態による電子顕微鏡の電子ビーム光学系の概略図、図３は視野深度と収束角との関係を説明する図、図４は本実施形態による立体観察方法の原理を説明する図、図５は試料のモデルを示す概略図、図６は図５の試料の測定例を示す図、図７は視野深度と収束角との関係を示すグラフ、図８及び図９は本実施形態による立体観察方法により撮影した画像を示す図である。

はじめに、本実施形態による電子顕微鏡の構造について図１及び図２を用いて説明する。

図１に示すように、電子ビーム光学系を構成する鏡筒部１０には、電子線を収束して試料に照射する収束レンズ系を制御する収束レンズ系制御装置１２と、収束電子線を走査する走査レンズ系を制御する走査レンズ系制御装置１４と、試料を透過した電子線を結像する結像レンズ系を制御する結像レンズ系制御装置１６と、電子線に対する試料の位置を制御する試料台制御装置１８と、試料から得られたＳＴＥＭ像を取得するＳＴＥＭ検出器２０とが設けられている。

収束レンズ系制御装置１２、走査レンズ系制御装置１４及び結像レンズ系制御装置１６には、各レンズ系を制御する情報を入力するためのレンズ系制御用入力装置２２が接続されている。また、試料台制御装置１８には、試料台を制御する情報を入力するための試料台制御用入力装置２４が接続されている。

ＳＴＥＭ検出器２０には、制御装置２６を介して処理装置２８が接続されている。処理装置２８は、収束レンズ系制御装置１２、走査レンズ系制御装置１４、結像レンズ系制御装置１６、試料台制御装置１８等を制御する制御装置として、また、ＳＴＥＭ検出器２０から入力される測定データの分析を行う分析装置として機能する。

処理装置２８には、外部から測定等に必要な情報を入力するための入力装置３０、測定データの分析に用いられるデータベース等を記憶する外部記憶装置３２、分析結果等を表示する表示装置３４等が接続されている。

図２に示すように、鏡筒部１０内に設けられた電子ビーム光学系は、電子線を生成する電子銃４０と、電子銃４０から放出された電子線を所定の角度（α）に収束して試料４２に入射する収束レンズ４４と、試料４２を透過した電子線の散乱角を所定の角度（β）に制御してＳＴＥＭ検出器２０に導入する結像レンズ４６とを有している。

このように、本実施形態による電子顕微鏡は、基本的にはＳＴＥＭ機能を有する電子顕微鏡である。本実施形態による電子顕微鏡の主たる特徴は、収束レンズ４４により収束する電子線の焦点位置を試料４２の深さ方向に変化できることにある。この特徴は、試料４２の深さ方向の情報を取得するためである。そして、この目的を奏するために、本実施形態による電子顕微鏡は、視野深度が最小値になるように電子線の収束角を制御する機能、並びに検出画像のＳ／Ｎ比を向上する機能を有している。

次に、本実施形態による電子顕微鏡を用いた立体観察方法について図１及び図２を用いて説明する。

まず、評価対象の試料４２を用意し、鏡筒部１０内の試料台（図示せず）上に設置する。なお、本実施形態による立体観察方法では、通常のＴＥＭやＳＴＥＭの測定では厚すぎると考えられている１μｍ以上の膜厚、例えば１．５μｍ程度の膜厚を有する試料４２を用いることができる。

次いで、電子銃４０から放出された電子を汎用のＴＥＭ等で用いられている加速エネルギー、例えば１００〜２００ｋｅＶで加速して電子ビームを得る。なお、試料４２に与えるダメージを抑制する観点からは、汎用のＴＥＭ等で用いられている２００ｋｅＶ程度以下の加速エネルギーを用いることが望ましいが、それ以上の加速エネルギー、例えば１ＭｅＶ程度の加速エネルギーを用いてもよい。

次いで、電子ビームを、収束レンズ４４により所定の収束角αで収束し、試料４２の所定の位置に所定の深さで焦点が合うように入射する。なお、試料４２は、電子ビームに対して傾けて配置するようにしてもよい。

ここで、本実施形態による立体観察方法では、視野深度を浅くして３次元観察の深さ分解能を向上する。視野深度とは、光軸上の物点を幾何学的な正焦点位置から移動しても像のボケを生じないような移動距離を意味する。

ＴＥＭの場合、図３に示すような幾何学的関係を構成する。図において、レンズが収束レンズ４４に対応し、物面が試料４２の位置に対応している。また、αは電子線の収束角、Ｏ点は収束した電子線の正焦点位置、ｘ_１，ｘ_２は、正焦点位置Ｏから移動しても像のボケを生じない範囲である。

この関係から、視野深度ｄ_０は、以下のように表すことができる。

ｄ_０＝ｘ_１＋ｘ_２≒２ｒ／α
ここで、ｒはプローブ径などによって定められる実質的なレンズの分解能である。例えば、α＝４×１０^−３ｒａｄ、ｒ＝０．３ｎｍのとき、焦点深度ｄ_０は１５０ｎｍとなる。これは深さ方向に対して１５０ｎｍの分解能で像分離できることを意味する。

視野深度を浅くすると、試料の厚さ方向に焦点の合う範囲が狭くなる。したがって、試料の深さ方向の焦点位置を変えることにより、深さ方向の情報を分離して検出することが可能となる。例えば図４に示すように、試料４２に入射する電子線５０の焦点位置を深さｄ_１に設定した場合（図面左側）、深さｄ_１を中心とした焦点深度ｄ_０の範囲の深さ情報を得ることができる。また、試料４２に入射する電子線５０の焦点位置を深さｄ_２に設定した場合（図面右側）、深さｄ_２を中心とした焦点深度ｄ_０の範囲の深さ情報を得ることができる。

図５は、試料４２の一例を示す概略図である。図５に示す試料４２は、深さＡの位置に形成された直方体状の構造物５２と、深さＢの位置に形成された円筒状の構造物５４とを有している。

図５に示す試料において、電子線５０を入射し、電子線の正焦点位置を深さＡに合わせた場合、例えば図６（ａ）に示すような画像が得られる。すなわち、構造物５２の鮮明な画像と、構造物５４のぼけた画像とが重なった画像を得ることができる。一方、電子線の正焦点位置を深さＢに合わせた場合、例えば図６（ｂ）に示すような画像が得られる。すなわち、構造物５４の鮮明な画像と、構造物５２のぼけた画像とが重なった画像を得ることができる。これら画像から鮮明な画像を抜き出す画像処理を行うことにより、試料４２の深さ方向の情報を分離することができる。

上式から判るように、理論的には、視野深度は収束角が大きいほどに小さくなる。しかしながら、実際には収束角が大きくなると球面収差の影響が強く表れるため、レンズ機能の制限によって視野深度にも限界がある。なお、球面収差とは、レンズの機械的歪みの一種であり、レンズ周辺部を通る電子ほど強く屈折される現象によるものである。

図７は、収差の影響を加味した収束角と焦点深度との関係の一例を示すグラフである。なお、図７のグラフは、電子線の加速エネルギーが２００ｋｅＶの場合である。

図７に示すように、視野深度と収束角との関係には、視野深度が最小となる収束角の最適値が存在し、収束角がその最適値よりも小さくても大きくても視野深度は増加する。ここで、収束角が最適値よりも小さいときの視野深度の増加は回折収差（電子線が波動性を持つために生じる収差）の影響によるものであり、収束角が最適値よりも大きいときの視野深度の増加は球面収差の影響によるものである。

視野深度と収束角との関係は、球面収差係数（Ｃｓ）の大きさによっても変化する。すなわち、図７に示すように、球面収差係数が大きいほど、収束角が増加するに伴う視野深度の増加割合も大きくなる。

球面収差係数Ｃｓは、電子顕微鏡の電子ビーム光学系に応じて定まる装置の基本性能であり、図７に示すグラフは、各電子顕微鏡が有する球面収差の値に応じて準備することができる。

そこで、本実施形態による立体観察方法では、図７に示すようなグラフを予め作成してデータベース化し、外部記憶装置３２に蓄えておく。これにより、測定に要求される焦点深度ｄ_０を例えば入力装置３０を介して入力すると、処理装置２８は、外部記憶装置３２のデータベースを参照して測定に最適な収束角、すなわち視野深度が最小となる収束角を算出することができる。

なお、近年では球面収差補正レンズと呼ばれる補正レンズが用いられることもある。球面収差補正レンズを用いる場合、収束角の増加とともに視野深度は減少するが、この場合にも測定に要求される焦点深度から最適な収束角を算出する機能は有用である。

処理装置２８は、算出した収束角の値に応じて、レンズ系制御用入力装置２２及び収束レンズ系制御装置１２を介して収束レンズ４４の励磁を制御する。これにより、電子銃４０から放出された電子線を所望の収束角に収束して試料４２に入射することができる。

また、収束した電子線は、必要に応じて試料４２上を１次元又は２次元に走査し、試料４２上の任意の範囲内の測定を行う。電子線の走査は、走査レンズ系制御装置１４を介して図示しない走査レンズを制御することにより行う。

また、電子線の試料４２の深さ方向の焦点位置を変化することにより、試料４２の深さ方向の情報を取得する。電子線の焦点位置は、収束レンズ系制御装置１２を介して収束レンズ４４を制御することにより行う。

次いで、試料４２を透過した電子線を、結像レンズ４６を介してＳＴＥＭ検出器２０により検出する。なお、ＳＴＥＭ検出器２０の代わりに、他の検出器、例えばＣＣＤカメラ等を用いてもよい。

ここで、本実施形態による立体観察方法では、試料４２を透過した電子線がＳＴＥＭ検出器２０に効率的に入射するように、試料４２を透過した電子線の散乱角βを制御する。

ＳＴＥＭ法では、収束電子線を試料に入射し、さらにその電子線を走査して、入射点における電子強度を２次元構築することでＳＴＥＭ像を得る。ＳＴＥＭ法は、透過電子で結像する明視野法と、ＴＤＳ散乱電子或いは回折電子で結像する暗視野法とに大別される。料が０．３μｍ以下であれば、これら手法は目的に応じてそれぞれよく機能する。しかしながら、例えば本実施形態による立体観察方法に用いる試料４２のように厚さが１μｍを超えるような場合、試料に入射した電子が弾性散乱する確率が減少して実質的に回折現象が見られなくなる。このような観察条件においては、試料中の物質に散乱・吸収された電子を結像に寄与させない、いわゆる散乱コントラストで結像するのが最も効果的である。

そこで、本実施形態による立体観察方法では、試料４２を透過した電子線の強度を、ＳＴＥＭ検出器２０によって検出する。この場合、集束レンズ４４により収束する電子線の焦点位置を試料４２の深さ方向に変化させることにより、試料による電子線の吸収及び散乱の深さ方向の分布を測定することも可能となる。

このとき最も重要となるのが、電子線強度のＳ／Ｎ比である。Ｓ／Ｎ比を向上するには、散乱・吸収された電子だけを能率的に除去しそれ以外の電子を検出すればよい。これは、ＳＴＥＭ検出器或いはＣＣＤカメラなどの記録媒体に電子を集光することを意味する。

これを実現するために、本実施形態による立体観察方法では、結像レンズ４６の励磁を適宜調整し、電子の散乱角βを小さくして可能な限りの電子をＳＴＥＭ検出器２０に導入する。こうすることにより、厚さが１μｍを超えるような試料４２の場合にも、Ｓ／Ｎ比の大きい画像を取得することができる。

図８（ａ）は電子の散乱角βが小さいときの明視野像、図８（ｂ）は電子の散乱角βが大きいときの明視野像である。図示するように、散乱角を小さく設定することにより、厚さが１μｍを超えるような厚い試料においても、Ｓ／Ｎ比を向上して詳細な画像を得ることができる。

このように、本実施形態による立体観察方法では、ＳＴＥＭと同様の拡大レンズを用いない入射光学系を用いることに加え、試料を透過した電子線の散乱角を小さくすることにより、厚さが１μｍを超えるような厚い試料においても、Ｓ／Ｎ比を向上して詳細な画像を得ることができる。また、電子線の走査範囲を適宜制御することにより、ＳＴＥＭと同様の広範囲の撮影が可能である。また、試料に入射する電子線の収束角を制御して視野深度を浅くすることにより、厚さ方向の分解能をも高めることができる。

本実施形態による立体観察方法では、厚さが１μｍを超えるような試料４２の暗視野像を撮影することは困難である。しかしながら、通常のＴＥＭやＳＴＥＭで観察されるような０．３μｍ以下程度の厚さの試料では、暗視野像の撮影も可能である。

暗視野像を撮影する場合、その目的に応じて電子の散乱角βを制御する。すなわち、測定の目的が主として試料の形状である場合には、散乱角βを大きくすることにより、回折コントラストを強調することができる。一方、測定の目的が主として試料の材料である場合には、散乱角βを小さくすることにより、Ｚコントラスト（原子番号に応じたコントラスト）を強調することができる。

図９（ａ）は電子の散乱角βが小さいときの暗視野像であり、図９（ｂ）は電子の散乱角βが大きいときの暗視野像である。図示するように、散乱角が小さい場合には材料の種類が強調され、散乱角が大きい場合には結晶状態などの形状が強調されている。

本実施形態による立体観察方法を用いることにより、試料４２の深さ方向の分解能を大幅に向上した暗視野像を取得することができる。また、試料４２の深さ方向の観察も可能である。

このように、本実施形態によれば、ＳＴＥＭと同様の拡大レンズを用いない入射光学系を用いることに加え、試料を透過した電子線の散乱角を小さくして電子線の検出感度を向上するので、厚さが１μｍを超えるような厚い試料においても、Ｓ／Ｎ比を向上して詳細な画像を得ることができる。また、電子線の走査範囲を適宜制御することにより、ＳＴＥＭと同様の広範囲の撮影が可能である。また、試料に入射する電子線の収束角を制御して視野深度を浅くすることにより、厚さ方向の分解能をも高めることができる。

［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、視野深度が最小値となる収束角を用いて測定を行う場合を示したが、必ずしも視野深度が最小値となる収束角を用いて行う必要はない。収束角は、測定に要求される解像度等に応じた視野深度が得られるように、適宜選択することができる。

また、上記実施形態では、厚さが１μｍを超えるような厚い試料の場合を例に説明したが、本発明による立体観察方法は、通常のＴＥＭやＳＴＥＭの測定に用いられる０．３μｍ程度以下の試料の測定に適用することもできる。この場合、電子線の収束角を適宜制御することにより試料の深さ方向の情報を高精度に測定できるとともに、明視野像のみならず暗視野像の測定も可能となる。

以上詳述した通り、本発明の特徴をまとめると以下の通りとなる。

（付記１） 電子線を生成する電子銃と、前記電子銃により生成された電子線を収束して試料に入射する収束レンズと、前記試料を透過した電子線の散乱角を制御する結像レンズと、前記試料を透過した前記電子線を検出する検出器とを有する電子顕微鏡を用いた立体観察方法であって、
前記試料を透過した前記電子線の強度を、前記収束レンズにより収束する前記電子線の焦点位置を前記試料の深さ方向に変化させて測定することにより、前記試料による前記電子線の吸収及び散乱の深さ方向の分布を測定する
ことを特徴とする立体観察方法。

（付記２） 付記１記載の立体観察方法において、
前記試料を透過した前記電子線を前記結像レンズにより収束して前記検出器に導入する
ことを特徴とする立体観察方法。

（付記３） 付記１又は２記載の立体観察方法において、
前記収束レンズにより収束する前記電子線の収束角を、視野深度が最小値になる値に設定する
ことを特徴とする立体観察方法。

（付記４） 付記１乃至３のいずれか１項に記載の立体観察方法において、
前記電子線を、前記試料の任意の測定範囲内で走査する
ことを特徴とする立体観察方法。

（付記５） 付記１乃至４のいずれか１項に記載の立体観察方法において、
前記電子線を、前記試料に対して傾けて入射する
ことを特徴とする立体観察方法。

（付記６） 電子線を生成する電子銃と、
前記電子銃により生成された電子線を収束して試料に入射する収束レンズと、
前記試料を透過した電子線の散乱角を制御する結像レンズと、
前記試料を透過した前記電子線を検出する検出器と、
前記試料を透過した前記電子線の強度を、前記収束レンズにより収束する前記電子線の焦点位置を前記試料の深さ方向に変化して測定することにより、前記試料による前記電子線の吸収及び散乱の深さ方向の分布を測定する処理装置と
を有することを特徴とする電子顕微鏡。

（付記７） 付記６記載の電子顕微鏡において、
前記収束レンズにより収束する前記電子線の収束角を視野深度が最小値になる値に制御する収束角制御装置を更に有する
ことを特徴とする電子顕微鏡。

（付記８） 付記６又は７記載の電子顕微鏡において、
前記電子線を前記試料の任意の測定範囲内で走査する走査レンズを更に有する
ことを特徴とする立体観察方法。

本発明の一実施形態による電子顕微鏡の構造を示す概略図である。 本発明の一実施形態による電子顕微鏡の電子ビーム光学系を示す概略図である。 視野深度と収束角との関係を説明する図である。 本発明の一実施形態による立体観察方法の原理を説明する図である。 測定対象の試料のモデルを示す概略図である。 図５の試料の測定例を示す概略図である。 視野深度と収束角との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態による立体観察方法により撮影した画像を示す図（その１）である。 本発明の一実施形態による立体観察方法により撮影した画像を示す図（その２）である。

符号の説明

１０…鏡筒部
１２…収束レンズ系制御装置
１４…走査レンズ系制御装置
１６…結像レンズ系制御装置
１８…試料台制御装置
２０…ＳＴＥＭ検出器
２２…レンズ系制御用入力装置
２４…試料台制御用入力装置
２６…制御装置
２８…処理装置
３０…入力装置
３２…外部記憶装置
３４…表示装置
４０…電子銃
４２…試料
４４…収束レンズ
４６…結像レンズ
５０…電子線
５２，５４…構造体

Claims (5)

1. 電子線を生成する電子銃と、前記電子銃により生成された電子線を収束して試料に入射する収束レンズと、前記試料を透過した電子線の散乱角を制御する結像レンズと、前記試料を透過した前記電子線を検出する検出器とを有する電子顕微鏡を用いた立体観察方法であって、
   前記試料を透過した前記電子線の強度を、前記収束レンズにより収束する前記電子線の焦点位置を前記試料の深さ方向に変化させて測定することにより、前記試料による前記電子線の吸収及び散乱の深さ方向の分布を測定する
   ことを特徴とする立体観察方法。
2. 請求項１記載の立体観察方法において、
   前記試料を透過した前記電子線を前記結像レンズにより収束して前記検出器に導入する
   ことを特徴とする立体観察方法。
3. 請求項１又は２記載の立体観察方法において、
   前記収束レンズにより収束する前記電子線の収束角を、視野深度が最小値になる値に設定する
   ことを特徴とする立体観察方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の立体観察方法において、
   前記電子線を、前記試料の任意の測定範囲内で走査する
   ことを特徴とする立体観察方法。
5. 電子線を生成する電子銃と、
   前記電子銃により生成された電子線を収束して試料に入射する収束レンズと、
   前記試料を透過した電子線の散乱角を制御する結像レンズと、
   前記試料を透過した前記電子線を検出する検出器と、
   前記試料を透過した前記電子線の強度を、前記収束レンズにより収束する前記電子線の焦点位置を前記試料の深さ方向に変化して測定することにより、前記試料による前記電子線の吸収及び散乱の深さ方向の分布を測定する処理装置と
   を有することを特徴とする電子顕微鏡。