JP2014032943A - Scanning electron microscope for irradiating sample with electron beams having small energy width - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は従来の走査型電子顕微鏡に比べて高分解能で、かつ、大電流の電子ビーム照射による高品質のＳＥＭ像を提供する走査型電子顕微鏡を製作するための設計技術に関するものである。 The present invention relates to a design technique for producing a scanning electron microscope that provides a high-quality SEM image by irradiation with a high-current electron beam with higher resolution than a conventional scanning electron microscope.
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）は局所の元素分析や局所の構造観察を行うには不可欠な装置である。 特に、１ｋｅＶ程度のエネルギーを持った電子ビームを観察用試料に照射する、通常は「低加速ＳＥＭ」と呼ばれているＳＥＭは、試料に損傷を与えにくい、また、試料を帯電させにくいなどの理由から、半導体素子の局所検査には不可欠の道具となっている。検査精度は使用するＳＥＭの分解能で決まり検査速度は試料を照射する電子ビームの電流値で決まる。 現在、市販されている低加速ＳＥＭのうちで最も高い分解能を与えるＳＥＭは分解能１．２ｎｍを提示している。 この分解能は、このＳＥＭが、現在利用できる電子顕微鏡用の電子銃のうちで最もエネルギーのバラツキ方（以下、エネルギー幅、あるいは、ΔＥと記す）の少ない電子ビームを発射する冷陰極フィールドエミッション電子銃を安定的に使いこなす技術を確立することによって得られた。 現在のところ、１．２ｎｍ以下の分解能値を与える低加速ＳＥＭが創れる可能性を伝える報告は見当たらない。 この装置が示すようにΔＥの小さい電子ビームを使うことはＳＥＭに限らず高分解能の電子顕微鏡を造るためには極めて重要な技術である。 透過型電子顕微鏡においては、観察用試料をΔＥの小さい電子ビームで照明するために、０．１ｅＶから０．２ｅＶの範囲のΔＥを持つ電子ビームを作る装置、すなわち、エネルギーフィルターと呼ぶ装置が開発されている。 エネルギーフィルターは、種々のエネルギーを持った電子線の軌道をそのエネルギーに対応させて分散させる、いわゆる「電子線プリズム」と特定値のエネルギーを持った電子線のみを抽出する、「スリット」とで構成されている。 本発明でもこの技術を応用する。 ただし、本発明では、プリズムの発生する幾何収差がＳＥＭ像の分解能を低下させてはいけないのでプリズム収差を除去する装置を考案して搭載する。 また、０．１ｅＶ以下のΔＥを与えるエネルギーフィルターを作るため、プリズムとスリットとの間にプリズムの電子分散能力を高める装置を考案して設置する。 A scanning electron microscope (SEM) is an indispensable device for local elemental analysis and local structural observation. In particular, an SEM that irradiates an observation sample with an electron beam having an energy of about 1 keV, usually called “low acceleration SEM”, is less likely to damage the sample, and more difficult to charge the sample. For this reason, it has become an indispensable tool for local inspection of semiconductor devices. The inspection accuracy is determined by the resolution of the SEM used, and the inspection speed is determined by the current value of the electron beam that irradiates the sample. Currently, the SEM that gives the highest resolution among the commercially available low-acceleration SEM presents a resolution of 1.2 nm. This resolution is a cold cathode field emission electron gun that emits an electron beam with the least energy variation (hereinafter referred to as energy width or ΔE) among electron guns for electron microscopes currently available. It was obtained by establishing a technology that can be used stably. At present, there is no report that reports the possibility of creating a low-acceleration SEM that gives a resolution value of 1.2 nm or less. As shown in this apparatus, the use of an electron beam having a small ΔE is an extremely important technique for producing a high-resolution electron microscope as well as an SEM. In the transmission electron microscope, in order to illuminate the observation sample with an electron beam having a small ΔE, a device for producing an electron beam having a ΔE in the range of 0.1 eV to 0.2 eV, that is, a device called an energy filter has been developed. Has been. The energy filter is a so-called “electron beam prism” that disperses orbits of electron beams with various energies according to the energy, and “slits” that extract only electron beams with specific energy values. It is configured. This technique is applied to the present invention. However, in the present invention, since the geometric aberration generated by the prism should not reduce the resolution of the SEM image, an apparatus for removing the prism aberration is devised and mounted. In order to make an energy filter that gives ΔE of 0.1 eV or less, a device for increasing the electron dispersion capability of the prism is devised and installed between the prism and the slit.
ＳＥＭが大面積の半導体素子の複数箇所の検査に使われるようになった今、改良したい、もう一つのＳＥＭの技術項目として電子ビームの電流値の制御方法がある。 複数箇所の検査を短時間で終了させるには高速検査、すなわち、大電流の電子ビームを使う事が必要である。 大電流電子ビームを作成するために現在は、（１）電子源から電子を大量に放出するように電子銃を調節する方法と、（２）コンデンサーレンズを使って、ビーム径設定用アパーチャの細孔を通り抜ける電流量を大きくする方法とが重ねて使用されている。 （１）の方法によれば試料照射電子ビームのビーム径、すなわち、ＳＥＭ像の分解能を損なうことは無いが、電子源の電子放出能力には限界がある。 （２）の方法はコンデンサーレンズの焦点距離を長くして、ＳＥＭにおける電子源像の投影倍率を大きくしているので、ビーム径は電流値の平方根に比例して大きくなってしまう。 そこで、ＳＥＭの利用者は分解能と電流値とを比べながら利用目的に合わせてコンデンサーレンズの励起強度を選んでいる。 Now that SEM has been used for inspection of a plurality of locations of a large-area semiconductor device, another SEM technical item to be improved is a method for controlling the current value of an electron beam. In order to finish the inspection at a plurality of positions in a short time, it is necessary to use a high-speed inspection, that is, a high-current electron beam. Currently, in order to create a high-current electron beam, (1) a method of adjusting the electron gun so as to emit a large amount of electrons from the electron source, and (2) a narrow aperture for beam diameter setting using a condenser lens. A method of increasing the amount of current passing through the hole is used repeatedly. According to the method (1), the beam diameter of the sample irradiation electron beam, that is, the resolution of the SEM image is not impaired, but the electron emission capability of the electron source is limited. In the method (2), since the focal length of the condenser lens is increased and the projection magnification of the electron source image in the SEM is increased, the beam diameter is increased in proportion to the square root of the current value. Therefore, the user of the SEM selects the excitation intensity of the condenser lens according to the purpose of use while comparing the resolution and the current value.
本発明は０．１ｅＶより小さいエネルギー幅を有する電子ビームを作成し、その電子ビームを試料に照射する走査型電子顕微鏡を提供することを課題とする。 An object of the present invention is to provide a scanning electron microscope that creates an electron beam having an energy width smaller than 0.1 eV and irradiates a sample with the electron beam.
本発明が解決しようとするもう一つの課題は、ＳＥＭを構成している全ての電子レンズの励起強度は変えずに、すなわち、電子源像の投影倍率は変えずに、試料を照射する電子ビームの電流値を選ぶことが出来る走査型電子顕微鏡を提供することである。 Another problem to be solved by the present invention is that the electron beam that irradiates the sample without changing the excitation intensity of all the electron lenses constituting the SEM, that is, without changing the projection magnification of the electron source image. It is an object of the present invention to provide a scanning electron microscope capable of selecting the current value of the scanning electron microscope.
上記の第１の課題を解決するために請求項１、ならびに、請求項２記載のエネルギー幅の小さい電子ビームを試料に照射する走査型電子顕微鏡では従来から使われてきた球面収差補正装置を備えた走査型電子顕微鏡を構成する種々の電子光学要素のほかに、「電子線プリズム」とそのプリズムが発生する幾何収差を除去する「プリズム収差補正装置」とプリズムが産み出した電子線軌道間の分散の程度を増幅する「分散角増幅装置」とを搭載するようにした。 In order to solve the first problem, a spherical aberration correction device conventionally used in a scanning electron microscope for irradiating a sample with an electron beam having a small energy width according to claim 1 and claim 2 is provided. In addition to the various electron optical elements that make up the scanning electron microscope, the “electron beam prism” and the “prism aberration correction device” that removes the geometrical aberration generated by the prism and the electron beam trajectory produced by the prism A "dispersion angle amplifier" that amplifies the degree of dispersion is installed.
また、第２の課題を解決するために請求項３記載のエネルギー幅の小さい電子ビームを試料に照射する走査型電子顕微鏡では電子源とプリズム収差補正装置との間に細孔を有する「電流値制御用アパーチャ（絞り）」を設け、その細孔の大きさを変えることにより、走査型電子顕微鏡を構成する電子レンズ群の励起強度は変えずに試料照射電子ビームの電流値を変えることが出来るようにした。 Further, in order to solve the second problem, in the scanning electron microscope for irradiating the sample with an electron beam having a small energy width according to claim 3, a “current value having a pore between the electron source and the prism aberration correcting device By providing a "control aperture" and changing the pore size, the current value of the sample irradiation electron beam can be changed without changing the excitation intensity of the electron lens group constituting the scanning electron microscope. I did it.
本発明は従来のＳＥＭに比べてはるかに高分解能のＳＥＭ像を大電流の電子ビーム使用時においても提供するという効果を奏する。 The present invention has the effect of providing a SEM image with a much higher resolution than that of a conventional SEM even when a high-current electron beam is used.
図１はワーキングデイスタンスが３ｍｍのシュノーケル型対物レンズとＺｒ−Ｏショットキー電子銃を使った球面収差補正装置付きの従来の、一つの、低加速ＳＥＭで作られる試料照射電子ビームと、本発明をこのＳＥＭに応用したときに作られる試料照射電子ビームとを、試料上での電子ビーム断面に沿った電流密度分布のグラフ、ならびにそれを基にして描いた電子ビームの形状において比較し、発明の効果を図で説明している。 電流密度は電子源から電子が１０μＡ／ｓｒの放出角電流密度で放出されている条件の下で計算されている。 電流密度分布曲線の半価幅を試料照射電子ビームの太さ、すなわち、ビーム径と定義すると５０ｐＡの試料照射電子ビームを作った時には、従来のＳＥＭのビーム径は２．８ｎｍであったのに対して、本発明を使用して作成したＳＥＭは０．５７ｎｍと約１／４の寸法の微細なビーム径を与えている。 FIG. 1 shows a conventional sample irradiation electron beam produced by a low-acceleration SEM with a spherical aberration correction device using a snorkel type objective lens having a working distance of 3 mm and a Zr-O Schottky electron gun. Is compared with a sample irradiation electron beam produced when applying to the SEM in the graph of the current density distribution along the electron beam cross section on the sample, and the shape of the electron beam drawn based on the graph. The effect of is illustrated in the figure. The current density is calculated under the condition that electrons are emitted from the electron source at an emission angle current density of 10 μA / sr. If the half-width of the current density distribution curve is defined as the thickness of the sample irradiation electron beam, that is, the beam diameter, when a 50 pA sample irradiation electron beam was produced, the beam diameter of the conventional SEM was 2.8 nm. In contrast, an SEM made using the present invention gives a fine beam diameter of about 1/4, 0.57 nm.
高分解能の電子顕微鏡を造るには球面収差補正装置の搭載が不可欠である。 本発明のＳＥＭを造るには、球面収差補正装置を備えたＳＥＭが有する種々の電子光学要素、たとえば、電子レンズや非点隔差補正装置などの他に、電子線用のプリズム、プリズム収差補正装置、分散角増幅装置、電流値制御用アパーチャの搭載を必要とする。 このうち、分散角増幅装置は、もし、本発明を応用する目的が０．９ｎｍ以下の分解能を持つ低加速ＳＥＭを作ることでなければ大きなサイズのプリズムを使用することで代用できる。 In order to build a high-resolution electron microscope, it is essential to install a spherical aberration corrector. In order to manufacture the SEM of the present invention, in addition to various electron optical elements, such as an electron lens and an astigmatism correction device, etc., possessed by a SEM equipped with a spherical aberration correction device, an electron beam prism and a prism aberration correction device In addition, it is necessary to install a dispersion angle amplifier and an aperture for controlling the current value. Of these, the dispersion angle amplifying device can be substituted by using a prism having a large size if the purpose of applying the present invention is not to produce a low acceleration SEM having a resolution of 0.9 nm or less.
まず、これらの要素の必要性の理由とそれらの動作原理を説明する。
図２は［実施例］の部分に示す本発明のＳＥＭに使用したプリズムの構造と光軸上、すなわち、ｚ−軸上のｚ＝−１５ｍｍの位置から、ｚ−軸に対して１ｍｒａｄの角度で発射されたエネルギーが７ｋｅＶ，８ｋｅＶ，ならびに９ｋｅＶの電子線の電子軌道を描いている。それらの軌道は図ではそれぞれＹ７ｋｅＶ、Ｙ８ｋｅＶ、Ｙ９ｋｅＶと記号付けされている。 プリズムは２組の磁極板の対で造られており、それぞれ１０ｍＷｂ／ｍ２，２０ｍＷｂ／ｍ２の磁束密度を発生するように励起されている。 エネルギーが８ｋｅＶの電子線は１０ｍＷｂ／ｍ２の磁束中では半径３０ｍｍの円運動を行ない、２０ｍＷｂ／ｍ２の磁束中では半径１５ｍｍの円運動を行う。 エネルギーの違った電子線は違った回転半径でプリズムの中を走るので、プリズムの出口では図２に示されているように進行方向が違ってくる。 すなわち電子軌道が分散される。 本発明に使用したプリズムではエネルギーが７ｋｅＶと９ｋｅＶの電子線とでは０．２５ｒａｄの角度をなして分散している。 そこで、図２が描いているようにｚ＝５０ｍｍの位置に直径０．３８μｍの細孔を有する金属板（アパーチャ）を設置するとその細孔は（８ｋｅＶ−０．０５ｅＶ）から（８ｋｅＶ＋０．０５ｅＶ）の範囲にあるエネルギーの電子線のみを通過させることが出来るのでアパーチャの後方には、８ｋｅＶのエネルギーをその中心値として、±０．０５ｅＶより小さいエネルギーのバラツキを持った、すなわち、０．１ｅＶのΔＥを持った電子ビームが引き出される。しかしながら、直径０．３８μｍの細孔は製作したとしても使用を重ねると電子汚染などの問題点が発生する。 ［背景技術］の部分で述べた透過型電子顕微鏡用の０．１ｅＶのΔＥを与えるエネルギーフィルターはもっと大きなサイズのプリズムを使っている。 このエネルギーフィルターの方法で０．０１ｅＶのΔＥの電子ビームを作ろうとすると極めて大きいサイズのフィルターを作る必要が発生し実用的でない。 そこで、本発明では、大きいサイズのフィルターを準備するのではなく、プリズムの産んだ分散角を増幅する装置を作ってそれをプリズムとアパーチャとの間に装着することにした。First, the reason for the necessity of these elements and the principle of their operation will be described.
FIG. 2 shows the structure of the prism used in the SEM of the present invention shown in the [Example] section and the optical axis, that is, the angle of 1 mrad with respect to the z-axis from the position of z = -15 mm on the z-axis. The electron orbits of the electron beams with the energy emitted at 7 keV, 8 keV, and 9 keV are depicted. Respectively their orbits FIG Y 7keV, Y 8keV, are Y 9 keV and marking. Prisms are made by a pair of two pairs of pole plates, and is excited so that each generate a magnetic flux density of 10mWb / m 2, 20mWb / m 2. Electron beam energy 8keV performs a circular motion of radius 30mm are in flux 10mWb / m 2, performs circular motion of radius 15mm are in flux 20mWb / m 2. Since electron beams with different energies travel through the prism with different radii of rotation, the traveling direction is different at the exit of the prism as shown in FIG. That is, the electron orbit is dispersed. In the prism used in the present invention, the energy of 7 keV and 9 keV is dispersed at an angle of 0.25 rad. Therefore, as shown in FIG. 2, when a metal plate (aperture) having a pore having a diameter of 0.38 μm is installed at a position of z = 50 mm, the pore becomes (8 keV−0.05 eV) to (8 keV + 0.05 eV) Since only an electron beam having an energy in the range of can be passed, the energy behind the aperture is 8 keV with a center value of 8 keV, and the energy variation is smaller than ± 0.05 eV, that is, 0.1 eV. An electron beam with ΔE is extracted. However, even if a pore having a diameter of 0.38 μm is manufactured, problems such as electron contamination occur if it is repeatedly used. The energy filter that gives ΔE of 0.1 eV for the transmission electron microscope described in the “Background Art” section uses a prism of a larger size. When an electron beam of Δe of 0.01 eV is produced by this energy filter method, it is necessary to produce a very large filter, which is not practical. Therefore, in the present invention, instead of preparing a large-size filter, a device for amplifying the dispersion angle produced by the prism was made, and it was installed between the prism and the aperture.
図３はプリズムの後方に２つの磁界レンズを設置して分散角を約１２倍に増幅した分散角増幅装置の例である。 分散角の増幅はプリズムの後方に任意の電子レンズを設けることにより出来る。 しかしながら、この電子レンズはエネルギーの種々に異なる電子線を屈折しようとするので、特定値以外の強度で電子レンズを励起したのでは、分散角増幅装置を出た、エネルギーが（Ｅ±０．５ΔＥ）の２つの電子線の軌道はｚ−軸に関して対称的な形状にはならない。 したがって対称形状を持つエネルギー幅がΔＥの電子ビームを作るには、電子レンズを特定値の強度で励起する必要がある。
図３では、分散角増幅装置を２つの電子レンズで構成し、プリズムのすぐ後ろに置いた磁界レンズは１８Ａ／√Ｖに励起してｚ−軸に関してほぼ対称的な形状を持つ電子ビームを作るようにしている。 その後ろに置いた磁界レンズは１０Ａ／√Ｖに励起されている。 このレンズの励起強度は特定値の強度である必要はなく強い強度で励起するほど分散角は大きく増幅される。 このレンズの後方に更に別の電子レンズを設けると、分散角は更に大きな角度に増幅される。 後に示す本発明の実施例では、３つの磁界レンズを使った分散角増幅装置を使っている。 その分散角増幅装置では、最前部に設置されたレンズは１．４Ａ／√Ｖの強度で励起してｚ−軸に関して対称的な形状の電子ビームを作り、他の２つのレンズは３０Ａ／√Ｖの強度で励起して、プリズムが与えた分散角を２９００倍の分散角に増幅している。FIG. 3 shows an example of a dispersion angle amplifying apparatus in which two magnetic lenses are installed behind the prism and the dispersion angle is amplified about 12 times. Amplification of the dispersion angle can be achieved by providing an arbitrary electron lens behind the prism. However, since this electron lens tries to refract electron beams having different energies, if the electron lens is excited with an intensity other than a specific value, the energy that has exited the dispersion angle amplifying device is (E ± 0.5ΔE). ) Of the two electron beams does not have a symmetrical shape with respect to the z-axis. Therefore, in order to produce an electron beam having a symmetrical energy width ΔE, it is necessary to excite the electron lens with a specific intensity.
In FIG. 3, the dispersion angle amplifying apparatus is composed of two electron lenses, and a magnetic lens placed immediately behind the prism is excited to 18 A / √V to produce an electron beam having a substantially symmetrical shape with respect to the z-axis. I am doing so. The magnetic lens placed behind it is excited to 10 A / √V. The excitation intensity of this lens does not need to be a specific intensity, and the excitation angle increases with increasing intensity. If another electron lens is provided behind the lens, the dispersion angle is amplified to a larger angle. In an embodiment of the present invention described later, a dispersion angle amplifying device using three magnetic lenses is used. In the dispersion angle amplifying device, the lens installed in the forefront is excited with an intensity of 1.4 A / √V to produce an electron beam having a symmetrical shape with respect to the z-axis, and the other two lenses are 30 A / √. Excited with the intensity of V, the dispersion angle given by the prism is amplified to a dispersion angle of 2900 times.
ＳＥＭの光学系にプリズムを組み込む際に考慮しなくてはいけない事柄は、プリズムを設置したことにより発生する幾何収差の量である。 ＳＥＭは電子源の像を試料上に投影する装置であるから、光学系が発生する幾何収差は極力小さくする必要がある。 対物レンズの幾何収差をゼロにする装置が開発されたことによって透過型電子顕微鏡の分解能は著しく向上した。 A matter that must be taken into account when incorporating a prism into the SEM optical system is the amount of geometrical aberration generated by installing the prism. Since the SEM is a device that projects an image of an electron source onto a sample, it is necessary to minimize the geometric aberration generated by the optical system. The resolution of the transmission electron microscope has been remarkably improved by the development of a device for reducing the geometric aberration of the objective lens to zero.
電子光学要素であるプリズムも、電子を種々の方向に飛び出させる物点をプリズムの外部に設けると、丁度、通常の電子レンズが為す様に、その物点の像をプリズムの像面に作る。 ただし、プリズムの作る像は、回転対称構造の電子レンズが作る像とは全く違って線状の像であり、かつ、焦点は結ばない虚像である。 すなわち、プリズムは電子線を集束するのではなく発散させる凹レンズとして作用する。 同時にプリズムはその像面に色収差や幾何収差を発生する。 プリズムの発生する色収差を利用してエネルギーフィルターではΔＥの小さい電子ビームを作っている。 一方、幾何収差は無用の収差である。 すなわち、ＳＥＭの試料上に投影された電子源の像をぼかしたり、像を歪ませたりしてビーム径を増大させる。 しかしながら幾何収差はガラス光学においても電子光学においても凸レンズと凹レンズとを組み合わせたシステムを作ることによって除去できる。 電子顕微鏡の対物レンズの球面収差を除くには、対物レンズが凸レンズであり、しかも、回転対称構造の電子レンズでは凸レンズしか作れないので、多数の磁極子を光軸の周りに配置して実質的には凹レンズとして機能する球面収差補正装置を作る必要があった。 一方、プリズムが回転対称構造ではないが凹レンズであることを考慮すると、凸レンズ、すなわち、現在普通に使っている電子レンズをプリズムに接続すれば、プリズムの発生する幾何収差を除去することが出来るはずである。 When an object point that causes electrons to jump out in various directions is provided outside the prism, the prism that is an electron optical element also forms an image of the object point on the image surface of the prism just as a normal electron lens does. However, the image formed by the prism is a linear image that is completely different from the image formed by the electron lens having a rotationally symmetric structure, and is a virtual image that is not focused. That is, the prism acts as a concave lens that diverges rather than focuses the electron beam. At the same time, the prism generates chromatic aberration and geometric aberration on its image plane. The energy filter uses the chromatic aberration generated by the prism to produce an electron beam with a small ΔE. On the other hand, geometric aberration is a useless aberration. That is, the beam diameter is increased by blurring the image of the electron source projected on the SEM sample or distorting the image. However, geometric aberrations can be removed by making a system that combines convex and concave lenses in both glass and electron optics. To eliminate the spherical aberration of the objective lens of an electron microscope, the objective lens is a convex lens, and only a convex lens can be made with an electron lens with a rotationally symmetric structure, so a substantial number of magnetic poles are arranged around the optical axis. It was necessary to make a spherical aberration correction device that functions as a concave lens. On the other hand, considering that the prism is not a rotationally symmetric structure but a concave lens, if a convex lens, that is, an electron lens that is currently used normally, is connected to the prism, the geometrical aberration generated by the prism should be eliminated. It is.
まず、図２に描いたプリズムの光学特性、すなわち、像面位置と投影倍率、ならびに、発生する幾何収差の量を計算する。図４はｚ＝−６０ｍｍの位置に置いた点電子源から０．２ｒａｄの傾角で発射された電子線の軌道を計算により求め、描いている。 電子線はプリズムから光軸に対して０．２４ｒａｄの角度をなしてプリズムを出てゆく。 この電子線はｚ＝−３０ｍｍの位置から０．２４ｒａｄの傾角で飛び出してゆく電子線のように見える。すなわち、プリズムはｚ＝−３０ｍｍの位置を像面としてそこに電子源の虚像を倍率０．８３で投影している。 図４が記しているように、その像面には−１．７ｍｍの大きさの虚の幾何収差、δＹｉｍｇが発生している。 この幾何収差を電子源側で定義する収差、δＹｏｂｊ、に換算するとδＹｏｂｊは図４に記入しているよう、−２．０ｍｍである。First, the optical characteristics of the prism depicted in FIG. 2, that is, the image plane position and the projection magnification, and the amount of generated geometric aberration are calculated. FIG. 4 shows the trajectory of an electron beam emitted at a tilt angle of 0.2 rad from a point electron source placed at a position of z = −60 mm by calculation. The electron beam exits the prism at an angle of 0.24 rad with respect to the optical axis. This electron beam looks like an electron beam jumping out from the position of z = −30 mm with an inclination angle of 0.24 rad. That is, the prism projects a virtual image of the electron source at a magnification of 0.83 on the image plane at a position where z = −30 mm. As shown in FIG. 4, an imaginary geometric aberration, δY img having a magnitude of −1.7 mm is generated on the image plane. When this geometrical aberration is converted into an aberration defined on the electron source side, δY obj , δY obj is −2.0 mm as shown in FIG.
δＹｏｂｊをゼロにする収差補正装置を作るため、後に図６に描くように、プリズムの前方、５０ｍｍの位置に磁極径３ｍｍ、磁極間隔３ｍｍの磁界レンズを設置する。
ｚ＝−６０ｍｍの位置から、傾角０．１ｒａｄで発射された電子線に対してプリズムが発生する収差、δＹｏｂｊ、を設置した磁界レンズの励起強度に対して計算した。計算結果を図５に示す。 図５は磁界レンズを、３．８８Ａ／√Ｖ、あるいは、４．４９Ａ／√Ｖに励起すると、δＹｏｂｊが０．０μｍとなる、すなわち、収差が除去されることを示している。 磁界レンズがプリズム収差の補正装置として機能している。 このプリズム収差補正装置を３．８８Ａ／√Ｖに励起して収差を除去したときの電子源から傾角±０．２ｒａｄで発射された電子線の軌道を図６に示す。電子線はプリズム収差補正装置を出るとｚ−軸に対して平行に進む。 図７はプリズム収差補正装置を４．４９Ａ／√Ｖに励起して収差を除去したときの電子線の軌道を示す。 プリズム収差補正装置を出た電子線はプリズムの入り口の近くに焦点を結ぶ。後に図１０に描く実施例では、図６に描いたところの、プリズムを出た電子ビームがｚ−軸に平行に進む収差補正モードを採るようにプリズム収差補正装置を励起する。In order to make an aberration correction apparatus that makes δY obj zero, a magnetic lens having a magnetic pole diameter of 3 mm and a magnetic pole interval of 3 mm is installed in front of the prism at a position of 50 mm, as shown in FIG.
From the position of z = −60 mm, the aberration, δY obj , generated by the prism with respect to the electron beam emitted at an inclination angle of 0.1 rad, was calculated with respect to the excitation intensity of the magnetic field lens provided. The calculation results are shown in FIG. FIG. 5 shows that when the magnetic lens is excited to 3.88 A / √V or 4.49 A / √V, δY obj becomes 0.0 μm, that is, aberration is removed. The magnetic lens functions as a prism aberration correction device. FIG. 6 shows the trajectory of an electron beam emitted from the electron source at an inclination of ± 0.2 rad when the aberration is removed by exciting the prism aberration correcting device to 3.88 A / √V. When exiting the prism aberration corrector, the electron beam travels parallel to the z-axis. FIG. 7 shows the trajectory of the electron beam when the prism aberration correction apparatus is excited to 4.49 A / √V to remove the aberration. The electron beam exiting the prism aberration correction device is focused near the entrance of the prism. In the embodiment depicted in FIG. 10 later, the prism aberration correction device is excited so as to adopt an aberration correction mode in which the electron beam exiting the prism, which is depicted in FIG. 6, proceeds parallel to the z-axis.
本特許願で技術の権利化を請求するもう１つの項目は、微小なビーム径を保ったままで大電流の試料照射電子ビームを作成するビーム電流の制御方法である。 従来のＳＥＭではビーム径を決めるために設けたビーム径制御用アパーチャの細孔を通り抜ける電流量を制御するため、図８に示すようにコンデンサーレンズを設けてその励起強度を変えて試料を照射する電子ビームの電流値を制御している。 大電流を得ようとして電子源から大きい傾斜角で出た電子線をビーム径制御用アパーチャの細孔を通すように取り込もうとすれば、コンデンサーレンズの励起強度を弱くして電子源の試料上への投影倍率を図８の太い点線で描いたように大きくする必要があった。 投影倍率を大きくすれば電子源像は拡大し、ビーム径は、投影倍率に比例して大きくなる。 この不具合を無くすため、本発明のＳＥＭでは、図９に描くように、ビーム径制御用アパーチャとは別個に、試料を照射する電流値を制御するための電流値制御用アパーチャを電子銃とプリズム収差補正装置の間に設置した。 ＳＥＭを構成する電子レンズ群の励起強度は一切変えない。 電流値制御用アパーチャの細孔の大きさを変えることで試料照射電子ビームの電流値を制御する。 この方法によって、ＳＥＭの投影倍率は一定値に保ったままで試料照射ビームの電流値を変えることが出来るようになった。 この電流値制御方法が使用できた理由は、後に［実施例］の部分で示すように、本発明では、ビーム径制御用アパーチャの細孔の縁を通る電子線はプリズムで分散された電子線であるという本発明の特徴による。 すなわち、従来のＳＥＭでは図８に示したように、ビーム径制御用アパーチャの細孔の縁を通る電子線はエネルギーがＥの電子線であったのに対して、本発明では、図９に描いたように、ビーム径制御用アパーチャの細孔の縁を通る電子線はエネルギーがＥの電子線ではなくてエネルギーがＥ±０．５ΔＥの電子線である。本発明ではエネルギーがＥの電子線は図９の太い実線が示すように、ほぼ光軸上、すなわち、細孔の中心部を走る。 小さい細孔の電流値制御用アパーチャを使う時と大きい細孔のアパーチャを使うときとでＳＥＭを構成する電子レンズ群の励起強度は全く変えていないので、電子源像の投影倍率は変化せず、大きい細孔のアパーチャを使えば、図９の太い点線で描かれた電子軌道のように、電子源から大きな立体角で放出された大電流の電子ビームを使っても、試料照射電子ビームにおける電子源像の大きさは変わらない。 すなわち、微小なビーム径を保ったまま、大電流の試料照射電子ビームを作る事が出来る。 Another item that claims the right of technology in this patent application is a beam current control method for creating a sample-irradiated electron beam with a large current while maintaining a minute beam diameter. In the conventional SEM, in order to control the amount of current passing through the aperture of the beam diameter control aperture provided to determine the beam diameter, a condenser lens is provided as shown in FIG. 8, and the excitation intensity is changed to irradiate the sample. The current value of the electron beam is controlled. If an electron beam emitted from the electron source with a large inclination angle is taken through the aperture of the aperture for controlling the beam diameter in order to obtain a large current, the excitation intensity of the condenser lens is reduced and the electron beam is applied onto the sample of the electron source. It was necessary to increase the projection magnification as shown by the thick dotted line in FIG. Increasing the projection magnification enlarges the electron source image, and the beam diameter increases in proportion to the projection magnification. In order to eliminate this problem, in the SEM of the present invention, as illustrated in FIG. 9, a current value control aperture for controlling the current value for irradiating the sample is provided with an electron gun and a prism separately from the beam diameter control aperture. It was installed between the aberration correction devices. The excitation intensity of the electron lens group constituting the SEM is not changed at all. The current value of the sample irradiation electron beam is controlled by changing the size of the aperture of the current value control aperture. By this method, the current value of the sample irradiation beam can be changed while keeping the projection magnification of the SEM at a constant value. The reason why this current value control method can be used is that in the present invention, the electron beam passing through the edge of the aperture of the beam diameter control aperture is an electron beam dispersed by a prism, as will be described later in the section of [Example]. According to the feature of the present invention. That is, in the conventional SEM, as shown in FIG. 8, the electron beam passing through the edge of the aperture of the beam diameter control aperture was an electron beam having an energy of E. As drawn, the electron beam passing through the edge of the aperture of the beam diameter control aperture is not an electron beam having an energy of E but an electron beam having an energy of E ± 0.5ΔE. In the present invention, the electron beam with energy E runs almost on the optical axis, that is, in the center of the pore, as indicated by the thick solid line in FIG. Since the excitation intensity of the electron lens group constituting the SEM is not changed at all when the aperture for controlling the current value of the small pore and the aperture of the large pore are used, the projection magnification of the electron source image does not change. If the aperture of the large pore is used, even if a large current electron beam emitted from the electron source with a large solid angle is used as in the electron orbit drawn by the thick dotted line in FIG. The size of the electron source image does not change. That is, a sample-irradiated electron beam with a large current can be produced while maintaining a minute beam diameter.
図１０は試料を１ｋｅＶのエネルギーの電子ビームで走査する低加速ＳＥＭに応用した本発明の実施例である。 本発明を実施するに必要な電子光学要素とその配置方法とを描き、要素を構成する各磁界レンズの励起強度を記している。 各レンズは接地電位に保たれている。 対物レンズ１には試料のワーキングデイスタンスが３ｍｍのシュノーケル型磁界レンズを用いている。 他の６つの回転対称レンズは、全て、磁極間隔が３ｍｍ、磁極孔径が３ｍｍの磁界レンズである。 観察用試料２にはビーム減速用の電圧、−７ｋＶが印加されている。 電子ビーム走査器や非点隔差補正器など、従来のＳＥＭに装備されている要素の図示は省略している。 先に図１に示したような本発明の効果を得るに必要な、また、本発明の特徴とする構成要素は、電流値制御用アパーチャ３、プリズム収差補正装置４、プリズム５、分散角増幅装置６である。 FIG. 10 shows an embodiment of the present invention applied to a low acceleration SEM in which a sample is scanned with an electron beam having an energy of 1 keV. The electron optical elements necessary for carrying out the present invention and the arrangement method thereof are drawn, and the excitation intensity of each magnetic lens constituting the elements is described. Each lens is kept at ground potential. As the objective lens 1, a snorkel type magnetic lens having a working distance of 3 mm for the sample is used. The other six rotationally symmetric lenses are all magnetic field lenses having a magnetic pole interval of 3 mm and a magnetic pole hole diameter of 3 mm. A beam deceleration voltage of −7 kV is applied to the observation sample 2. Elements of the conventional SEM such as an electron beam scanner and an astigmatic difference corrector are not shown. The constituent elements necessary for obtaining the effects of the present invention as shown in FIG. 1 and characterized by the present invention include current value control aperture 3, prism aberration correction device 4, prism 5, dispersion angle amplification. Device 6.
図１０においては３には、直径０．１ｍｍの細孔を有する金属板を用いている。 ４は、４を出た８ｋｅＶの電子線がｚ−軸のごく近傍をｚ−軸に平行して走るようにするため、２つの磁界レンズで構成している。 図１０は電子源から開き角±２．５ｍｒａｄの範囲内に放出された電子線群が形成する電子ビームの形状も描いている。 電子源７には放出する電子群のエネルギー幅が０．６ｅＶと見積もられるＺｒＯ−ショットキーエミッタを使用している。 先端の曲率半径が０．５μｍのエミッタに５ｋＶの電子引き出し電圧を印加して１０μＡ／ｓｒの角電流密度で電子線を引き出している。 引き出された電子線群は電子銃８によって（８ｋ−０．３）ｅＶ＜Ｅ＜（８ｋ＋０．３）ｅＶのエネルギーに加速され、かつ、ｚ−軸に平行に走る電子ビームとなって３を照射する。 ３の細孔を通り抜ける電子ビームの電流値は０．２ｎＡである。この電子ビームは４によってｚ−軸のごく近傍をｚ−軸に平行に走る電子ビームに整形され、５に入る。 ５は（８ｋ−０．３）ｅＶのエネルギーを持つ電子線の軌道と（８ｋ＋０．３）ｅＶのエネルギーを持つ電子線の軌道との間に７５μｒａｄの分散角を発生させる。この分散角は６によって２９００倍に増幅される。 In FIG. 10, 3 is a metal plate having pores with a diameter of 0.1 mm. 4 is composed of two magnetic lenses so that an 8 keV electron beam exiting 4 runs in the vicinity of the z-axis in parallel with the z-axis. FIG. 10 also shows the shape of the electron beam formed by the electron beam group emitted from the electron source within the range of the opening angle ± 2.5 mrad. The electron source 7 uses a ZrO-Schottky emitter in which the energy width of the emitted electron group is estimated to be 0.6 eV. An electron extraction voltage of 5 kV is applied to an emitter having a radius of curvature of 0.5 μm at the tip, and an electron beam is extracted at an angular current density of 10 μA / sr. The drawn electron beam group is accelerated to an energy of (8k−0.3) eV <E <(8k + 0.3) eV by the electron gun 8 and becomes an electron beam that runs parallel to the z-axis. Irradiate. The current value of the electron beam passing through the 3 pores is 0.2 nA. This electron beam is shaped by 4 into an electron beam that runs in the vicinity of the z-axis in parallel with the z-axis, and enters 5. 5 generates a dispersion angle of 75 μrad between an orbit of an electron beam having an energy of (8k−0.3) eV and an orbit of an electron beam having an energy of (8k + 0.3) eV. This dispersion angle is amplified by 2900 times by 6.
図１０では、エネルギーが８ｋｅＶの電子線の軌道を太い実線で、エネルギーが（８ｋ±３．１ｍ）ｅＶの電子線の軌道を細い実線で描いている。 ６を出て発散する電子線はコンデンサーレンズ９によりｚ−軸に平行して進む電子ビームに整形され、直径０．１４ｍｍの細孔を有するビーム径制御用アパーチャ１０を照射する。 １０を照射する電子ビームの電流値は０．２ｎＡであり、１０の細孔を通り抜ける電子ビームの電流値は２ｐＡである。 １０を通り抜けた電子ビームは球面収差補正装置１１に入り、１で発生する球面収差をゼロにする。１は７４．２Ａ／√Ｖの磁界強度で励起されており、鏡筒中を（８ｋ−３．１ｍ）ｅＶのエネルギーで走ってきた電子線を試料上にフォーカスさせる。 従来のＳＥＭではエネルギーの中央値、すなわち、鏡筒中を８ｋｅＶで走ってきた電子線を試料上にフォーカスさせるように対物レンズが励起されていた。本発明のＳＥＭでは（８ｋ−３．１ｍ）ｅＶで走ってきた電子線が試料上にフォーカスされ、 ８ｋｅＶで走ってきた電子線は試料上で０．６ｎｍの色収差を発生している。 以上に記述したように、この実施例では０．００６２ｅＶのエネルギー幅の電子ビームが試料を照射している。
試料上での電子ビームの太さ、すなわち、ビーム径は、ビームの試料上での断面に沿った電流密度分布を計算すればその分布曲線の半価幅で与えられる。 また、ＳＥＭの分解能をＳＥＭ像において識別可能な試料上の２点の最短距離と定義して、かつ、電流密度分布を３角形の形状に近似すれば分解能もこの半価幅で定量化される。In FIG. 10, the trajectory of an electron beam with an energy of 8 keV is drawn by a thick solid line, and the trajectory of an electron beam with an energy of (8 k ± 3.1 m) is drawn by a thin solid line. The electron beam emanating from 6 is shaped into an electron beam traveling parallel to the z-axis by the condenser lens 9 and irradiates a beam diameter control aperture 10 having a pore having a diameter of 0.14 mm. The current value of the electron beam that irradiates 10 is 0.2 nA, and the current value of the electron beam that passes through the 10 pores is 2 pA. The electron beam that has passed through 10 enters the spherical aberration corrector 11 and the spherical aberration generated by 1 is made zero. No. 1 is excited with a magnetic field intensity of 74.2 A / √V, and an electron beam that has traveled with an energy of (8 k−3.1 m) eV in the lens barrel is focused on the sample. In the conventional SEM, the objective lens is excited so as to focus the median energy, that is, the electron beam that has run in the lens barrel at 8 keV on the sample. In the SEM of the present invention, an electron beam that has traveled at (8 k-3.1 m) eV is focused on the sample, and the electron beam that has traveled at 8 keV generates chromatic aberration of 0.6 nm on the sample. As described above, in this embodiment, an electron beam having an energy width of 0.0062 eV irradiates the sample.
The thickness of the electron beam on the sample, that is, the beam diameter is given by the half width of the distribution curve when the current density distribution along the cross section of the beam on the sample is calculated. Also, if the resolution of the SEM is defined as the shortest distance between two points on the sample that can be identified in the SEM image, and the current density distribution is approximated to a triangular shape, the resolution is also quantified by this half width. .
図１１（ａ）には直径０．１０ｍｍの細孔を有する電流値制御用アパーチャを使用しているところの図１０の実施例の与える電流密度分布を、図１１（ｂ）には、直径０．７８ｍｍの細孔を有する電流値制御用アパーチャを使用した場合の電流密度分布を計算して求めた結果を示す。０．１０ｍｍアパーチャを使えば、ビーム電流が２ｐＡでビーム径が０．３１ｎｍの試料照射電子ビームが、また、０．７８ｍｍアパーチャを使えばビーム電流が５０ｐＡでビーム径が０．５７ｎｍの電子ビームが得られている。 それぞれ、０．３１ｍｍ，０．５７ｎｍの分解能のＳＥＭ像を与える。 FIG. 11 (a) shows the current density distribution given by the embodiment of FIG. 10 using a current value control aperture having pores having a diameter of 0.10 mm, and FIG. The result of having calculated | required and calculated | required current density distribution at the time of using the aperture for electric current value control which has a pore of .78 mm is shown. If a 0.10 mm aperture is used, a sample irradiation electron beam with a beam current of 2 pA and a beam diameter of 0.31 nm is used. If a 0.78 mm aperture is used, an electron beam with a beam current of 50 pA and a beam diameter of 0.57 nm is obtained. Has been obtained. SEM images with resolutions of 0.31 mm and 0.57 nm are given, respectively.
走査型電子顕微鏡は、試料観察を行うとともに局所の元素分析も出来るので、ナノメートルサイズの材料研究には欠かせない。 特に、低加速ＳＥＭは観察試料を損傷しない、また、観察試料の帯電が少ないなどの利点があるのでＬＳＩの非破壊検査や非導電性物質の局所研究には必ず低加速ＳＥＭが使われている。現在市販されている低加速ＳＥＭのうちで最も高い分解能を与える低加速ＳＥＭの分解能は［背景技術］の部分で述べたように１．２ｎｍである。 本発明の［実施例］は分解能０．３ｎｍの低加速ＳＥＭの制作方法を記した。このＳＥＭを利用すれば、従来に比べて１／４程度に小さい部分まで調査できる可能性がある。 Scanning electron microscopes are indispensable for nanometer-sized materials research because they allow observation of samples and local elemental analysis. In particular, low-acceleration SEM has advantages such as not damaging the observation sample and low charge of the observation sample. Therefore, low-acceleration SEM is always used for non-destructive inspection of LSI and local research on non-conductive materials. . The resolution of the low-acceleration SEM that gives the highest resolution among the low-acceleration SEMs currently on the market is 1.2 nm as described in the section “Background Art”. [Example] of the present invention describes a method for producing a low acceleration SEM having a resolution of 0.3 nm. If this SEM is used, there is a possibility that a part as small as about 1/4 can be investigated as compared with the conventional case.
また、大電流の低加速ＳＥＭは、ウエーハなどの大型試料の複数箇所の局所寸法を測ったり、素子欠陥を見つけたりする検査装置として使われる。 複数箇所を調べるには大電流ビームを使った高速度の検査が必要である。 検査精度を高めるには微小ビーム径の電子ビームが必要である。 ［発明の効果］の部分で示したように本発明を使用すれば、エミッタから１０μＡ／ｓｒの条件で電子放出させたとき、たとえば、５０ｐＡの大電流と０．６ｎｍの微細ビーム径を備えた電子ビームが得られる。 エミッタから１００μＡ／ｓｒの条件で電子放出させると、（０．５ｎＡ，０．６ｎｍ）の電子ビームが得られる。 この大電流、かつ、微細ビーム径の電子ビームは、高速、かつ、高精度の検査を行う手段としてＬＳＩ製造産業で利用される可能性がある。 In addition, a large-current low-acceleration SEM is used as an inspection apparatus that measures the local dimensions of a plurality of locations of a large sample such as a wafer and finds element defects. Examining multiple locations requires high-speed inspection using a large current beam. In order to increase inspection accuracy, an electron beam with a small beam diameter is required. As shown in [Effect of the invention], when the present invention is used, when an electron is emitted from the emitter under the condition of 10 μA / sr, for example, a large current of 50 pA and a fine beam diameter of 0.6 nm are provided. An electron beam is obtained. When electrons are emitted from the emitter under the condition of 100 μA / sr, an electron beam of (0.5 nA, 0.6 nm) is obtained. This electron beam with a large current and a fine beam diameter may be used in the LSI manufacturing industry as a means for performing high-speed and high-precision inspection.
１…対物レンズ ２…観察用試料 ３…電流値制御用アパーチャ ４…プリズム収差補正装置 ５…プリズム ６…分散角増幅装置 ７…電子源 ８…電子銃 ９…コンデンサーレンズ １０…ビーム径制御用アパーチャ １１…球面収差補正装置DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Objective lens 2 ... Observation sample 3 ... Current value control aperture 4 ... Prism aberration correction device 5 ... Prism 6 ... Dispersion angle amplification device 7 ... Electron source 8 ... Electron gun 9 ... Condenser lens 10 ... Aperture for beam diameter control 11. Spherical aberration correction device
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