JP2008171610A

JP2008171610A - 荷電粒子ビーム装置

Info

Publication number: JP2008171610A
Application number: JP2007002032A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kato; 藤誠嘉
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2007-01-10
Filing date: 2007-01-10
Publication date: 2008-07-24

Abstract

【課題】像分解能を維持して装置のコンパクト化を図る。
【解決手段】電子銃１、電子銃からの電子ビームを試料４上に集束させる集束レンズ２、電子ビームで試料４上を走査させる走査用偏向レンズ５、試料上の走査により試料４から発生した二次電子ビームを検出する検出器６、検出器で検出された二次電子ビームに基づいて、試料４に関する像若しくはスペクトルを表示する表示装置１２を備えており、試料４の直上に、４段の静電型４極子２１，２２，２３，２４と４段の静電型８極子２７，２８，２９，３０から成る静電型１２極子を配置させ、４段の静電型４極子２１，２２，２３，２４により電子ビームの試料４上のフォーカス調整を行わせ、４段の静電型８極子２７，２８，２９，３０で収差補正を行わせる。
【選択図】図３

Description

本発明は、収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置に関する。

電子ビームやイオンビームの如き荷電粒子ビームを使用して、試料を観察したり、材料上にパターンを描いたり、或いは試料を分析したりする荷電粒子ビーム装置がある。

図１は荷電粒子ビーム装置の一例である走査型電子顕微鏡の１概略例を示したものである。
図中１は電子銃、２，３はそれぞれ、前記電子銃１からの電子ビームを試料４上に集束するための集束レンズ、対物レンズである。
５は，前記電子銃からの電子ビームで試料上を走査させるための走査用偏向レンズで、Ｘ方向走査用偏向レンズ５Ｘ，Ｙ方向走査用偏向レンズ５Ｙから成る。
６は二次電子検出器で、該検出器の出力はアンプ７，ＡＤ変換器８を介して、装置各部への指令や演算等を司る中央制御装置９に送られる。
１０は走査信号発生回路で、ＤＡ変換器１１を介した前記制御装置９からの指令に基づいて走査信号を作成し、Ｘ方向走査信号を前記Ｘ方向走査用偏向レンズ５Ｘへ、Ｙ方向走査信号を前記Ｙ方向走査用偏向レンズ５Ｘそれぞれ送るものである。
１２は前記制御装置９の指令により前記二次電子検出器６からの出力信号に基づいた前記試料４の二次電子像を表示する表示装置である。
この様な顕微鏡においては、電子銃１からの電子ビームは集束レンズ２と対物レンズ３により試料４上に集束する。該試料上に集束した電子ビームは、走査用偏向レンズ５により前記試料上の所定領域を二次元的に走査する。
該試料上の所定領域走査により、該領域から発生した二次電子は二次電子検出器６に検出される。該検出器の出力はアンプ７及びＡＤ変換器８を介して制御装置９に送られる。
該制御装置は送られて来た二次電子信号を画像処理し、表示装置１２に前記走査領域の二次電子像を表示させる。

特開２００３−２０３５９３号公報特開２００４−２６５８６４号公報Ｖ．Ｈ．Ｒｏｓｅ，Ｏｐｔｉｋ３３，Ｈｅｆｔｌ，１−２４（１９７１）Ｊ．Ｚａｃｈ，Ｏｐｔｉｋ８３，Ｎｏ１，３０−４０（１９８９）Ｊ．ＺａｃｈａｎｄＭ．Ｈａｉｄｅｒ，Ｎｕｃｌ．Ｉｎｓｔｒ．ａｎｄＭｅｔｈ．ＩｎＰｙｈｓ．Ｒｅｓ．Ａ３６３，３１６−３２５（１９９５）Ｍ．Ｈａｉｄｅｒｅｔａｌ．，Ｏｐｔｉｋ６３，Ｎｏ．１，９−２３（１９８２）

さて、この様な走査型電子顕微鏡の対物レンズ３としては、静電型レンズに比べて収差が小さく、高電圧放電の問題がない磁界型レンズを用いることが一般的である。しかしながら、磁界型レンズは、鉄ヨークとコイル等から製作されているために、全体サイズが大型化してしまう。
更に、この様な走査型電子顕微鏡においては、前記対物レンズ３と試料４との間に二次電子検出器６を配置させる必要があるので、前記対物レンズ３と試料４との間にある程度の広さの空間を開ける必要がある。特に、観察すべき試料が半導体ウエハの場合等では、ウエハを傾斜させて観察する場合があるので、より広い空間が必要となる。
この結果、走査型電子顕微鏡自体が大型化してしまう。
又、前記対物レンズ３の底面と試料４との距離が大きい程、像分解能は低下（逆に、前記距離が小さい程、像分解能が向上する）するので、前記空間は像分解能向上に限界をもたらしていた。
所で、この様な像分解能の限界を打破する対策として、例えば、前記走査用偏向レンズ５と対物レンズ３との間に、収差補正装置（図１中で破線のブロック１３で示す）が設けられている。
この収差補正装置１３は、例えば、４段の静電型４極子、該４段の静電型４極子の２段目と３段目の静電型４極子が形成する電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子、及び、前記４段の静電型４極子の電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電８極子から構成されたものである（この様な構成の収差補正装置は、例えば、４段の１２極子用いて前記各電位分布及び磁位分布を形成している）。この様な収差補正装置により、球面収差と色収差が補正され、ある程度の像分解能は向上する（上記文献参照）。
しかし、像分解能の向上は改善されるものの、前記収差補正装置１３の２段目と３段目には磁界型４極子を備えているので、走査型電子顕微鏡は更に大型化してしまう。

本発明は、この様な問題に鑑み、像分解能の向上を保ったまま、装置のコンパクト化を図った新規な荷電粒子ビーム装置を提供することを目的とする。

本発明の荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビーム発生手段、該荷電粒子ビーム発生手段からの荷電粒子ビームを集束させる集束手段、前記荷電粒子ビーム発生手段からの荷電粒子ビームで試料上を走査させる走査用偏向手段、該試料上の走査により試料から発生した荷電粒子ビームを検出する検出器、及び、該検出器で検出された荷電粒子ビームに基づいて、前記試料に関する像若しくはスペクトルを表示する表示手段を備えた荷電粒子ビーム装置において、前記試料直上に、静電型多極子を複数段配置させ、該複数段の静電型多極子により荷電粒子ビームの試料上のフォーカス調整と球面収差補正が行われる様に成したことを特徴とする。

本発明の荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビーム発生手段、該荷電粒子ビーム発生手段からの荷電粒子ビームを集束させる集束手段、前記荷電粒子ビーム発生手段からの荷電粒子ビームで試料上を走査させる走査用偏向手段、該試料上の走査により試料から発生した荷電粒子ビームを検出する検出器、及び、該検出器で検出された荷電粒子ビームに基づいて、前記試料に関する像若しくはスペクトルを表示する表示手段を備えた荷電粒子ビーム装置において、前記試料直上に、静電型４極子と、該静電４極子の電位分布に８極子電位分布を重畳させる静電型８極子とから成る静電型１２極子を４段配置させ、前記４段の静電型４極子により荷電粒子ビームの試料上のフォーカス調整を行わせ、前記４段の静電型８極子により球面収差補正を行わせる様に成したことを特徴とする。

本発明の荷電粒子ビーム装置によれば、高分解能を保ったまま、装置のコンパクト化を図れる。

先ず、本発明の原理について、以下に説明する。

例えば、前記図１に示す構成の走査型電子顕微鏡においては、収差補正装置１３により色収差補正と球面収差補正を、該収差補正装置と対物レンズ３によってフォーカス調整が、次の様に行われている（尚、詳細は、前記文献の例えば１（特開２００３−２０３５９３号公報）等を参照）。

前記収差補正装置１３は、図２に示す様に、４段の静電型４極子２１，２２，２３，２４、該４段の静電型４極子の２段目と３段目の静電型４極子２２，２３が形成する電位分布と相似的な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子２５，２６及び、前記４段の静電型４極子の電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子２７，２８，２９，３０から構成されており、光軸ＬＯに沿って図の左側から入射した電子ビームは前記４段の静電型４極子２１，２２，２３，２４と対物レンズ３によって基準となる電子ビームの軌道が作られ、試料４面に電子ビームがフォーカスされる。この図では、電子ビームが進行する光軸ＬＯ方向をＺ方向として、このＺ方向に直交する電子ビームのＸ方向の軌道ＲｘとＹ方向の軌道Ｒｙを平面上にまとめて模式的に描いている。又、この基準軌道とは、近軸軌道として、前記１段目の４極子２１によってＹ方向の軌道Ｒｙが前記２段目の４極子２２の中心を通り、該２段目の４極子２２によってＸ方向の軌道Ｒｘが前記３段目の４極子２３の中心を通り、最後に前記３段目と４段目の４極子２３，２４と対物レンズ３によって電子ビームが試料面にフォーカスされる軌道を意味する。

この様な光学系で色収差は、前記基準軌道を変えない様に前記２段目の静電型４極子２２の電位φｑ２［Ｖ］と２段目の磁場型４極子２５の励磁Ｊ２［ＡＴ］（或いは磁位）が調整され、レンズ系全体としてＸ方向の色収差が０に補正され、同様に、基準軌道を変えないように前記３段目の静電型４極子２３の電位φｑ３［Ｖ］と前記３段目の磁場型４極子２６の励磁Ｊ３［ＡＴ］が調整され、レンズ系全体としてＹ方向の色収差が０に補正される。

又、この様な光学系の球面収差（３次の開口収差）は、前記色収差補正の後、前記２段目の静電型８極子２８の電位φｏ２［Ｖ］によってレンズ系全体としてＸ方向の球面収差を０に補正し、前記３段目の静電型８極子２９の電位φｏ３［Ｖ］によってレンズ系全体としてＹ方向の球面収差を０に補正し、ＸＹが合成された方向の球面収差を前記１段目の静電８極子２７と前記４段目の静電型８極子３０で０に補正する。

さて、前記図２に示す光学系でのフォーカス調整においては、前記１段目の４極子２１によってＹ方向の軌道Ｒｙが前記２段目の４極子２２の中心を通り、該２段目の４極子２２によってＸ方向の軌道Ｒｘが前記３段目の４極子２３の中心を通る軌道を作りさえすれば、最後は前記対物レンズ３を使用せずに前記３段目と４段目の４極子２３，２４だけで電子ビームが試料４面にフォーカスされる軌道を作成しても何ら問題はない。この様に成せば、サイズが大型化せざるを得ない磁界型の対物レンズ３を光学系から削除出来るので、装置全体がコンパクトになる。

又、前記図２に示す光学系での色収差は２段目と３段目の静電型４極子２２，２３と磁場型４極子２５，２６の組み合わせで補正し、球面収差は４段の静電型８極子２７，２８，２９，３０で補正しているが、色収差は球面収差に比べ像分解能に対する影響が小さい（特に、加速電圧が高い場合には、この傾向が顕著である）。従って、色収差補正を行わなくても、球面収差補正を確実に行えば、像分解能の低下が少なく、十分に高い像分解能を維持出来る筈である。この様に色収差補正が省略出来れば、サイズが大型化せざるを得ない前記２段目と３段目の磁場型４極子２５，２６の構成を前記光学系から削除出来るので、装置全体が更にコンパクトになる。

本発明は、以上の説明から、収差補正装置から磁場型極子の構成を、光学系から対物レンズをそれぞれ削除し、光学系のフォーカス調整を収差補正装置の４段の静電型４極子で行わせ、色収差補正をせずに、４段の静電型８極子で球面収差補正を行わせる様に成すことにより、装置全体を著しくコンパクト化出来き、更に、磁場型レンズが使用される対物レンズが削除されることから、その分、試料と収差補正装置の最下面との距離が小さくなり、色収差補正を省略して低下した像分解能分を補うことが出来（高分解能を維持したまま）る。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図３は本発明の荷電粒子ビーム装置の１例として走査型電子顕微鏡の１概略例を示したものである。図中、図１と同一記号を付したものは同一構成要素を示す。

図３の構成が図１の構成に対して異なるところは、図１に示した装置で用いられていた対物レンズ３を削除したこと、及び、図１で用いられていた収差補正装置１３から２段目及び３段目の磁場型４極子２５，２６を削除し、４段の静電型４極子（２１，２２，２３，２４）と、前記４段の静電型４極子の電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電８極子（２７，２８，２９，３０）から構成される収差補正装置１３´を試料４直上に配置したことである。尚、図中３１は前記４段の静電型４極子２１，２２，２３，２４個々にそれぞれ独立した電圧を供給する電源、３２は前記４段の静電型８極子２７，２８，２９，３０個々にそれぞれ独立した電圧を供給する電源で、それぞれＤＡ変換器３３，３４を介して、前記中央制御装置９からの指令に基づいて作動する。

この様な構成の装置において、中央制御装置９からの指令をＤＡ変換器３３を介して電源３１に送ることにより、該電源は前記収差補正装置１３´の４段の静電型４極子２１，２２，２３，２４の電圧を、図４に示す様に、光軸ＬＯに沿って図の左側から入射した電子ビームが、前記１段目の４極子２１によってＹ方向の軌道Ｒｙが前記２段目の４極子２２の中心を通り、該２段目の４極子２２によってＸ方向の軌道Ｒｘが前記３段目の４極子２３の中心を通り、最後に前記３段目と４段目の４極子２３，２４によって試料４面にフォーカスされる軌道を描く様に制御する。

この軌道の状態において、前記中央制御装置９からの指令をＤＡ変換器３４を介して電源３２に送ることにより、該電源は前記収差補正装置１３´の２段目の静電型８極子２８に、該８極子の電位φｏ２［Ｖ］によってレンズ系全体としてＸ方向の球面収差が０に補正される電圧を供給し、前記３段目の静電型８極子２９に、該８極子の電位φｏ３［Ｖ］によってレンズ系全体としてＹ方向の球面収差が０に補正される電圧を供給し、前記１段目の静電８極子電極２７と４段目の静電型８極子３０に、ＸＹが合成された方向の球面収差が０に補正される電圧を供給する。

この様にして、光軸ＬＯに沿って前記収差補正装置１３´に入射する電子が前記試料４面上において球面収差の補正され、フォーカスされる状況を作る。
この状況下において、前記試料４上にフォーカス且つ収差の補正された電子ビームは、走査用偏向レンズ５により前記試料上の所定領域を二次元的に走査すると、該走査により、前記所定領域から発生した二次電子は二次電子検出器６に検出される。該検出器の出力はアンプ７及びＡＤ変換器８を介して制御装置９に送られ、表示装置１２に前記走査領域の二次電子像を表示される。
尚、前記例では、収差補正装置として、静電型１２極子を４段備えたものを上げ、フォーカス調整を４段の静電型４極子で、球面収差補正を４段の８極子で行う様にしたが、フォーカス調整も、球面収差補正も極数が多いほど精度を上げることが出来ると考えられるので、収差補正装置として１２極子以上の静電多極子を４段以上備えたものでも良い。
又、前記例では、走査型電子顕微鏡を例に挙げて説明したが、本発明は、オージェ分光装置等他の電子ビーム装置や集束イオンビーム装置等のイオンビーム装置にも応用可能である。

荷電粒子ビーム装置の一例である走査型電子顕微鏡の１概略例を示したものである。図１に示す装置の動作の説明を補足するために用いた電子ビームの軌道を示す図である。本発明の荷電粒子ビーム装置の１例として走査型電子顕微鏡の１概略例を示したものである。本発明の動作の説明を補足するために用いた電子ビームの軌道を示す図である。

符号の説明

１…電子銃
２…集束レンズ
３…対物レンズ
４…試料
５…走査用偏向レンズ
６…二次電子検出器
７…アンプ
８…ＡＤ変換器
９…中央制御装置
１０…走査信号発生回路
１１３３，３４…ＤＡ変換器
１２…表示装置
１３，１３´…収差補正装置
２１，２２，２３，２４…静電型４極子
２５，２６…磁場型４極子
２７，２８，２９，３０…静電型８極子
３１，３２…電源
ＬＯ…光軸

Claims

荷電粒子ビーム発生手段、該荷電粒子ビーム発生手段からの荷電粒子ビームを集束させる集束手段、前記荷電粒子ビーム発生手段からの荷電粒子ビームで試料上を走査させる走査用偏向手段、該試料上の走査により試料から発生した荷電粒子ビームを検出する検出器、及び、該検出器で検出された荷電粒子ビームに基づいて、前記試料に関する像若しくはスペクトルを表示する表示手段を備えた荷電粒子ビーム装置において、前記試料直上に、静電型多極子を複数段配置させ、該複数段の静電型多極子により荷電粒子ビームの試料上のフォーカス調整と球面収差補正が行われる様に成した荷電粒子ビーム装置。
前記静電型多極子は少なくとも１２極子で成し、且つ、該静電型多極子を少なくとも４段にした請求項１記載の荷電粒子ビーム装置。
前記各静電型多極子の少なくとも４極子でフォーカス調整が行われ、少なくとも８極子で球面収差補正が行われる様に成した請求項２記載の荷電粒子ビーム装置。
前記格段の静電型４極子及び静電型８極それぞれに、独立に電圧を与える可変電源を設けた請求項２又は３記載の荷電粒子ビーム装置。
荷電粒子ビーム発生手段、該荷電粒子ビーム発生手段からの荷電粒子ビームを集束させる集束手段、前記荷電粒子ビーム発生手段からの荷電粒子ビームで試料上を走査させる走査用偏向手段、該試料上の走査により試料から発生した荷電粒子ビームを検出する検出器、及び、該検出器で検出された荷電粒子ビームに基づいて、前記試料に関する像若しくはスペクトルを表示する表示手段を備えた荷電粒子ビーム装置において、前記試料直上に、静電型４極子と、該静電４極子の電位分布に８極子電位分布を重畳させる静電型８極子とから成る静電型１２極子を４段配置させ、前記４段の静電型４極子により荷電粒子ビームの試料上のフォーカス調整を行わせ、前記４段の静電型８極子により球面収差補正を行わせる様に成した荷電粒子ビーム装置。
前記各段の静電型４極子及び静電型８極子それぞれに、独立に電圧を与える可変電源を設けた請求項５記載の荷電粒子ビーム装置。