JP2018006339A - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲のエネルギー領域の並列検出が可能な走査電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】走査電子顕微鏡は、反射電子をビーム軸から分離するとともに、エネルギー分析を行うウィーンフィルタ１０８を有する。ウィーンフィルタ１０８は複数の電磁極１０９を有し、複数の電磁極１０９のそれぞれの中心側端部にはテーパー面１０９ａが形成されており、テーパー面１０９ａは、ウィーンフィルタ１０８から出射する反射電子の出口を構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、走査電子顕微鏡に関し、特に、試料から発生した反射電子のエネルギーを分析することができるウィーンフィルタに関する。

半導体デバイス観察を目的とする走査電子顕微鏡において、観察対象となるデバイスパタンの微細化に伴いパタンの多層化が進んで来ているため、透過力の大きい高い加速電圧を用い、観察対象の試料の表面からの深さによって定まる適切なエネルギーを持つ反射電子を観察するのが有効である。その目的のために、観察する試料に応じて反射電子のエネルギー領域を自由に選び、その領域の信号のみを用いて反射電子像を形成する機能が必要となる。

この反射電子のエネルギー分析のために、従来では、まずウィーンフィルタによって反射電子をビーム軸からわずかに、たとえば１０°程度逸らした上で、エネルギーアナライザ、たとえば静電球面アナライザ、磁場セクタ型アナライザに導き、これによってエネルギー分析を行っている。ウィーンフィルタを用いて反射電子、あるいは一般に２次電子を１次電子線から振り分ける手法に関しては、例えば米国特許米国特許第５４２２４８６号公報（特許文献１）“Scanning electron beam device”に記載されている。またウィーンフィルタとエネルギーアナライザを組み合わせる手法に関しては、例えば米国特許第６４５５８４８号公報（特許文献２）“Particle-optical apparatus involving detection of Auger electronics”に記載されている。

エネルギーを選択した反射電子像の形成において、選択すべきエネルギー領域は観察対象となる試料ごとに異なる。そのため、最初に反射電子のなるべく広いエネルギー領域を大まかに分析し、試料を特徴づけるのに有効な狭いエネルギー領域を特定した上で、そのエネルギー領域だけを選択した反射電子像を形成するという手順が必要となる。

米国特許第５４２２４８６号公報 米国特許第６４５５８４８号公報

反射電子のエネルギー分析のために通例用いられるエネルギーアナライザの代表として静電球面アナライザがある。このタイプのアナライザは、高いエネルギー分解能を有するが、狭い電極間をくぐり抜けた電子のみが出射側で検出される構造であることから、一度に検出できるエネルギー領域は非常に制限される。とくに、分析したい反射電子のエネルギーがたとえば数10keVと高い場合、電極に印加する電圧が大きくなるのを避けるために電極間隔はせまくせざるをえず、同時検出の可能なエネルギー領域はより狭くなる。このため、広いエネルギー領域でスペクトル分布を観察するためには、アナライザのパスエネルギーの掃引によるシリアル検出を行うことが必然となる。この際の、全エネルギー領域のスペクトル分布を得るための制御は複雑となるだけでなく、測定に長時間を要する。この事情は、他のタイプのアナライザでも同様である。

そこで、本発明は、広範囲のエネルギー領域の並列検出が可能な走査電子顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態によれば、１次電子線を発生させるための電子線源と、前記１次電子線を試料まで導いて集束かつ偏向させる電子光学系と、前記試料から発生した反射電子のエネルギースペクトルを並列検出可能なエネルギー分析系を備え、前記エネルギー分析系は、前記反射電子をビーム軸から分離するとともに、エネルギー分析を行うウィーンフィルタと、前記ウィーンフィルタを通過した前記反射電子を検出するアレイ検出器を含み、前記ウィーンフィルタは複数の電磁極を有し、前記複数の電磁極のそれぞれの中心側端部にはテーパー面が形成されており、前記テーパー面は、前記ウィーンフィルタから出射する前記反射電子の出口を構成することを特徴とする走査電子顕微鏡が提供される。
一実施形態では、前記ウィーンフィルタは、前記反射電子像を形成するエネルギー領域におけるエネルギー分解能を最良にするために、電場あるいは磁場の４極場の強度を可変に構成されていることを特徴とする。
一実施形態では、走査電子顕微鏡は、予め選択されたエネルギー領域内の前記アレイ検出器の出力信号のみを用いて画像を生成する画像化装置をさらに備える。

本発明の上記実施形態によれば、広範囲のエネルギー領域の並列検出が可能となり、かつ従来型のエネルギー分析系と同等のエネルギー分解能が得られる。

図１は本発明の一実施形態における走査電子顕微鏡の基本構成を示す模式図である。 図２は、ウィーンフィルタの一実施形態を示す模式図である。 図３は、ウィーンフィルタの断面斜視図である。 図４は、ウィーンフィルタの動作に関してのシミュレーション結果の一例である。 図５は、ウィーンフィルタの動作に関してのシミュレーション結果の一例である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の実施形態における走査電子顕微鏡の基本構成を示す模式図である。図１において、電子線源である電子銃１０１で発生させた１次電子線１０３は、まず多重レンズから構成されたコンデンサーレンズ系１０２で集束される。１次電子線１０３は、ウィーンフィルタ１０８を通過し、さらに対物レンズ１０５で集束され、試料１０６に照射される。１次電子線１０３は偏向器１１２によって偏向され、試料１０６の表面を走査する。

試料１０６で発生した反射電子線１０４は、反射電子絞り１１０によって適当に直径が制限される。この反射電子絞り１１０の開口がエネルギー分析系から見た光源となる。反射電子絞り１１０を通過した反射電子線１０４は、ウィーンフィルタ１０８よってエネルギーごとに偏向され、アレイ検出器１０７で検出される。このアレイ検出器１０７は、エネルギーに従って分布する反射電子のエネルギースペクトルを生成する。画像化装置１２１は、このエネルギースペクトルから、試料１０６を特徴づけるエネルギー領域を選択し、その選択されたエネルギー領域内におけるアレイ検出器１０７の出力信号のみを用いて画像を形成する。この画像が目的としていた反射電子像である。

一般に、ウィーンフィルタは、ビーム軸に垂直な平面において互いに直交する電場と磁場を生成する。ウィーンフィルタは、本来はエネルギーアナライザとして用いられるが、両方向から入射する電子ビームの片方だけを曲げるビームセパレータとしての利用も可能であり、この用途で用いられるウィーンフィルタはE×B偏向器と呼ばれることもある。

走査電子顕微鏡において、ウィーンフィルタをビームセパレータとして用いる場合の動作を以下に説明する。まず１次電子線に対して、電場と磁場が電子線に及ぼす力の方向が逆になり、互いに打ち消し合うようにする。このための電場と磁場の強度の条件がウィーン条件と呼ばれ、E₁=vB₁と表される。ここで、E₁はウィーンフィルタがつくるx方向の電場の一様場成分であり、方位角θに関してcosθ依存性をもつ。またB₁はy方向の磁場の一様場成分であり、方位角θに関してsinθ依存性をもつ。速度vをもつ電子が、ビーム軸であるz軸に沿ってz＜0の方向から入射した場合、電場と磁場がウィーン条件をみたす場合に電子はそのまま直進する。このウィーン条件のもとで、電子がビーム軸に沿って逆方向から入射した場合は、磁場からの力の方向が逆転するので、電場と磁場は同一方向の力を電子に及ぼし、偏向器としての働きを示す。これによって、１次電子には影響を与えずに、逆方向の電子線を偏向させてビーム軸から逸らすことが可能となる。これがビームセパレータとしての動作である。

ところで、ウィーンフィルタは本来、エネルギーアナライザとしての機能を持っている。ウィーンフィルタをビームセパレータとして用いる際の１次電子線に関して考えると、ウィーン条件を満たす速度ｖを持った電子はそのまま直進するが、その速度ｖとは異なる速度を持つ電子は電場と磁場のつり合いが破れ、x方向の正負どちらかの方向に偏向される。この作用によって、ウィーンフィルタの出射側でエネルギースペクトルが生成される。これが本来のエネルギーアナライザとしての働きである。ウィーンフィルタをビームセパレータとして用いる場合は、このエネルギー分散作用は必要のないものである。すなわち、１次電子線は単にそのまま素通りするのが理想であるが、電子銃から出射する電子線は一般にΔE=0.5eV程度のエネルギー幅を持つため、１次電子線がウィーンフィルタを通ることでわずかな分散が起こり、試料面上でビームが分離しまうことで、像分解能の劣化が引き起こされる。しかしながら、この作用は１次電子線がウィーンフィルタ中央にクロスオーバをつくることで回避できる。すなわち、この条件のもとでは、１次電子線の分散は試料面で０に振り戻され、分解能に影響を与えない。

ウィーンフィルタをビームセパレータとして用いる際の別の問題として、次のものがある。ウィーンフィルタが一様な電場と磁場を形成している場合に、ウィーン条件をみたす１次電子線はx方向には若干の集束レンズ作用を受けるが、y方向にはそのようなレンズ作用がない。そこで、１次電子線は非点収差をもったレンズを通過する際と同様の作用を受ける。この作用を打ち消すために、ウィーンフィルタに４極場成分を重畳させる必要がある。４極場はx方向とy方向に異なるレンズ作用を及ぼすので、４極場の強度をうまく設定すれば、ウィーンフィルタ全体としてx、y方向に対称な、すなわち軸対称なレンズ作用となり、１次電子線に対して収差を与えない。この条件は、スティグマティック条件と呼ばれる。この条件をみたすための４極場は、電場でつくる場合はcos2θ依存性を持つE₂成分、磁場でつくる場合はsin2θを持つB₂成分となり、あるいはこれらE₂成分およびB₂成分を重畳するのでもよい。

本発明の一実施形態においては、ウィーンフィルタ１０８に上記のビームセパレータとしての動作を行わせる。１次電子線と逆方向から入射してくる反射電子に対しては、ウィーンフィルタ１０８は偏向器として作用するが、偏向作用はそれ自身としてエネルギー分散作用を持つ。従来技術においては、ビームセパレータとして用いるウィーンフィルタによる偏向角はわずかであり、典型的には偏向は10°程度である。本実施形態では、ウィーンフィルタ１０８の電磁極の形状を変更して、反射電子が出射するウィーンフィルタの出口側（上側）においてテーパー形状を持つことで、大きな角度の偏向が可能となる。これによって、広いエネルギー領域を同時に測定することが可能となる。この動作形態だけでは良いエネルギー分解能は得られないが、後記のように４極場を最適化することで、この弱点を回避できる。

ウィーンフィルタ１０８の構造に関して次に説明する。スティグマティック条件をみたすウィーンフィルタ１０８は、一様場と４極場の両方の成分を持つ必要があるため、電磁場重畳型の多極子レンズタイプである。多極子レンズタイプの最小構成は４極構造であるが、４極構造では理想的な一様場がつくれずに大きく歪んでしまい、これによって１次電子線に対して収差が発生する。そこで、より多くの極を持つ構造が望まれる。

図２は、本発明の一実施形態におけるウィーンフィルタ１０８の８極構造を示す模式図である。図２はビーム軸に垂直な方向から見たウィーンフィルタ１０８の上面図を示している。図３は、ウィーンフィルタ１０８の断面斜視図である。８つの極１０９は、ウィーンフィルタ１０８の中心線の周りに等間隔で配置されている。これら極１０９はコイル１０９ｂをそれぞれ備えている。８つの極１０９は、グランド電位とされたシャント１１５によって囲まれている。各極１０９の中心側端部の上面は、ウィーンフィルタ１０８の中心線に向かって下方に傾斜するテーパー面１０９ａから構成されている。８つの極１０９のテーパー面１０９ａは、ウィーンフィルタ１０８の中心線の周りに等間隔で並び、上を向いた円錐台形状の面を形成する。試料１０６から放出された反射電子１０４は、ウィーンフィルタ１０８に下方から入射し、テーパー面１０９ａから構成されるウィーンフィルタ１０８の出口から出射する。

各極１０９に電圧Vn、励磁ATn（n=1,2,…,8）をかけることで、ウィーン条件をみたす一様場とスティグマティック条件のための４極場を生成する。すべての極１０９は電極と磁極として働くため、たとえばパーマロイのような磁性体で製作する。さらに極数を増やし、たとえば１０極構造、１２極構造にすることで収差の低減効果は高まるが、機械精度の面で難しくなり、また電源制御が複雑になる。

図４は、８極構造を有した上記ウィーンフィルタ１０８の動作に関してのシミュレーション結果である。このシミュレーションでは、反射電子線１０４は、反射電子絞り１１０を抜けた後に平行ビームとなることを仮定している。反射電子絞り１１０の直径は小さいほどエネルギー分解能が向上するが、同時に感度を損なう。従って、反射電子絞り１１０の直径は、最終的に必要な分解能と感度から決定する必要がある。なお、１次電子線のクロスオーバ位置に関しては、前記のように試料面でエネルギー分散が打ち消されるための条件が必要である。ビーム軸に沿って対称な形状の従来のウィーンフィルタの場合はフィルタ中央にクロスオーバをつくれば良いが、本実施形態のように非対称なウィーンフィルタ１０８の場合は、試料面でエネルギー分散が消えるようなクロスオーバ位置をあらかじめシミュレーションによって決定しておくか、あるいは実際の走査電子顕微鏡のオペレーションにおいて決める必要がある。

図４は、ウィーンフィルタ１０８に対してウィーン条件とスティグマティック条件をみたすように各極１０９の電圧と励磁を設定したシミュレーション結果を示している。ウィーンフィルタ１０８の電磁極１０９だけでは電磁場の分布がビーム軸に沿って大きく広がってしまい、他の光学要素と干渉してしまう。これを防止するため、図４のようなシャント１１５が設けられている。このシャント１１５は電位０の磁性体、たとえばパーマロイで構成される。シャント１１５は、ウィーンフィルタ１０８の極１０９がつくる電場と磁場に対して同一のシールド作用を及ぼす。

反射電子は、テーパー面１０９ａを有するウィーンフィルタ１０８を通過するときに、反射電子のエネルギーに従って偏向される。アレイ検出器１０７は、ウィーンフィルタ１０８を通過した反射電子を検出し、図４に示すような、エネルギーに従って分布するエネルギースペクトルとして観測される。１次電子線のエネルギーをE₀とすれば、反射電子のエネルギーEは0からE₀まで分布する。本実施形態によれば、アレイ検出器１０７は、E₀から0.4E₀までのエネルギー幅0.6E₀の領域を一度に検出可能である。一般に静電球面アナライザなどでは、このエネルギー幅は前記のように0.1E₀程度が通常である。本実施形態では、一般的な静電球面アナライザに比べて、はるかに広いエネルギー領域が一度に測定可能である。同時検出の可能なエネルギー領域は、電磁極１０９のテーパー面１０９ａとシャント１１５の設計次第でさらに広げることも可能である。

エネルギー分解能に関して見れば、図４では0.6E₀のエネルギーに対して、アレイ検出器１０７の検出面においてエネルギー分散方向と直交する方向にラインフォーカスしている。このラインフォーカスの特性は、0.6E₀のエネルギー値を中心として±0.05E₀程度のエネルギー幅の範囲で保たれている。しかし、このエネルギー幅から離れたエネルギーに対しては、ビームが分散方向にボケていることでエネルギー分解能を損なうことになる。一般に、ウィーンフィルタ１０８の偏向作用によってエネルギー分散されたビームのフォーカス面は曲面となり、ある平坦な検出面上でフォーカスするエネルギーは一つしか存在しない。この作用は通常の軸対称レンズの像面湾曲収差に相当する。しかしながら、このフォーカスエネルギー値は、ウィーンフィルタ１０８がつくる４極場の強度を調整することで移動させることが可能となる。すなわち、４極場によってx方向、y方向のレンズ作用を変化させられるので、４極場の変更によって本来のフォーカスエネルギーを移動させて、任意のエネルギーのビームをアレイ検出器１０７の検出面でフォーカスさせることが出来る。

図５はその例であり、フォーカスエネルギーをE₀に一致させた場合のシミュレーション結果を示す。もしE₀付近のエネルギー領域で反射電子像を形成したい場合であれば、この条件が最適となる。このようにフォーカスエネルギーを移動させた場合は、１次電子線に対してのスティグマティック条件が満たされなくなるので、この補正のために図１における非点補正器１１１を設置する。これによって、ウィーンフィルタ１０８によってもたらされた非点を打ち消すことが可能となる。この非点補正器１１１の位置は、実際には電子銃１０１から試料１０６までの光学系のどこにあっても良い。以上のような４極場を用いた動作によって、反射電子像を構成する際のエネルギー領域に合わせて、0.1E₀程度の幅でエネルギー分解能をつねに最良に設定出来る。反射電子像を形成する際のエネルギー幅は0.1E₀に比べて十分小さいのが通例であるので、この機能によってつねに最良のエネルギー分解能が得られる。

図４及び図５のシミュレーションでは、反射電子絞り１１０を抜けた反射電子線１０４は平行ビームを想定している。このため、ラインフォーカスするエネルギーに対してはアレイ検出器１０７の検出面でのボケΔEは0となり、実際に得られるエネルギー分解能E/ΔEはアレイ検出器１０７の位置分解能に依存して決まることになる。しかし、試料１０６から反射電子絞り１１０までの光学系の構成に応じて、反射電子絞り１１０を通過したビームは角度幅を持つ可能性がある。その際のエネルギー分解能は、ビームの角度幅によって生じる検出面でのビームのボケと、アレイ検出器１０７の位置分解能で決定される。この事情は、他のタイプのアナライザを用いる従来の装置でも同様である。たとえば静電球面アナライザの場合であれば、出射面でつねに平行ビームに対してのフォーカス条件が満たされるが、一度に検出できるエネルギー幅が0.1E₀程度であるため、本発明の実施形態とエネルギー分解能に関しては対等である。すなわち、本実施形態のフォーカスエネルギーの移動機構を用いれば、従来の装置とエネルギー分解能の面で劣ることはない。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

Claims (3)

1. １次電子線を発生させるための電子線源と、
   前記１次電子線を試料まで導いて集束かつ偏向させる電子光学系と、
   前記試料から発生した反射電子のエネルギースペクトルを並列検出可能なエネルギー分析系を備え、
   前記エネルギー分析系は、
   前記反射電子をビーム軸から分離するとともに、エネルギー分析を行うウィーンフィルタと、
   前記ウィーンフィルタを通過した前記反射電子を検出するアレイ検出器を含み、
   前記ウィーンフィルタは複数の電磁極を有し、前記複数の電磁極のそれぞれの中心側端部にはテーパー面が形成されており、前記テーパー面は、前記ウィーンフィルタから出射する前記反射電子の出口を構成することを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 請求項１に記載の走査電子顕微鏡に於いて、
   前記ウィーンフィルタは、前記反射電子像を形成するエネルギー領域におけるエネルギー分解能を最良にするために、電場あるいは磁場の４極場の強度を可変に構成されていることを特徴とする走査電子顕微鏡。
3. 請求項１に記載の走査電子顕微鏡に於いて、
   予め選択されたエネルギー領域内の前記アレイ検出器の出力信号のみを用いて画像を生成する画像化装置をさらに備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。

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