JP2019215957A

JP2019215957A - ビームベンダ

Info

Publication number: JP2019215957A
Application number: JP2018110915A
Authority: JP
Inventors: 村上　武司; Takeshi Murakami; 武司村上
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2018-06-11
Filing date: 2018-06-11
Publication date: 2019-12-19
Also published as: KR20190140394A; US11011342B2; CN110581047A; TW202013416A; US20190378677A1; CN110581047B

Abstract

【課題】ビームベンダによって曲げられた電子線の集束性を向上することのできるビームベンダを提供する。【解決手段】ビームベンダ１２の内側曲面１７と外側曲面１９の間を通過する電子線の進行方向に沿った第１断面において、内側曲面１７の曲率および外側曲面１９の曲率はそれぞれ一定であり、内側曲面１７の曲率中心と外側曲面１９の曲率中心は一致するように設定されている。電子線の進行方向に対して垂直な第２断面において、内側曲面１７の曲率および外側曲面１９の曲率はそれぞれ一定であり、内側曲面１７の曲率中心と外側曲面１９の曲率中心は一致するように設定されている。第２断面における内側曲面１７の曲率半径は、第１断面における内側曲面１７の曲率半径より大きく設定され、第２断面における外側曲面１９の曲率半径は、第１断面における外側曲面１９の曲率半径より大きく設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電子線の軌道を曲げるためのビームベンダに関する。

従来から、電子顕微鏡等において、電子線を曲げるためのビームベンダが用いられている。例えば、マルチビーム走査方式の電子顕微鏡において、複数の電子線（マルチビーム）の軌道を曲げるビームベンダが提案されている（例えば特許文献１参照）。電子顕微鏡等の電子線装置においては、１次光学系（電子銃から出射した電子線を試料Ｗに照射するための光学系）と２次光学系（試料Ｗから放出された２次電子を検出器へと導くための光学系）を、筐体内の限られたスペースに配置する必要がある。

例えば、マルチビームＳＥＭでは、試料近傍で１次電子の軌道と２次電子の軌道はほぼ重なるケースが多く、それらの軌道を分離するために、ウィーンフィルタや磁界を利用したビームベンダを用いる事が多い。しかし、これらの光学要素は、軌道の曲げ角が大きい程、大きな収差や分散を発生させるため、走査顕微鏡では特に分解能を重視する１次電子ビームの曲げ角を最小にしたい。しかし、１次光学系の電子線の軌道と２次光学系の２次電子の軌道が接近していると、１次光学系を構成する機器と２次光学系を構成する機器とが干渉してしまい、筐体内の限られたスペースに配置することが困難あるいは不可能な場合がある。そのような場合に、ビームベンダを用いて主に２次光学系の２次電子の軌道を大きく曲げる事により、１次光学系と２次光学系を筐体内に配置できるようになる。例えば、このようにしてビームベンダは電子顕微鏡等で用いられる。

特表２０１０−５１９６９７号公報

しかしながら、従来のビームベンダにおいては、ビームベンダによって曲げられた電子線の集束性が高くないという問題があった。より具体的には、電子線の中心軌道に対して所定距離だけ離間して平行に入射された電子線がビームベンダを通過した後に中心軌道と交差する位置のずれが大きいという問題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、ビームベンダによって曲げられた電子線の集束性を向上することのできるビームベンダを提供することを目的とする。

本発明のビームベンダは、内側曲面を有する内電極と外側曲面を有する外電極を備え、前記内電極と前記外電極にそれぞれ異なる電位を印加する事で生じる電界によって、前記内側曲面と前記外側曲面の間を通過する電子線を曲げるためのビームベンダであって、前記内側曲面と前記外側曲面の間を通過する前記電子線の進行方向に沿った第１断面において、前記内側曲面の曲率および前記外側曲面の曲率はそれぞれ一定であり、前記内側曲面の曲率中心と前記外側曲面の曲率中心は一致するように設定され、前記電子線の進行方向に対して垂直な第２断面において、前記内側曲面の曲率および前記外側曲面の曲率はそれぞれ一定であり、前記内側曲面の曲率中心と前記外側曲面の曲率中心は一致するように設定され、前記第２断面における前記内側曲面の曲率半径は、前記第１断面における前記内側曲面の曲率半径より大きく設定され、前記第２断面における前記外側曲面の曲率半径は、前記第１断面における前記外側曲面の曲率半径より大きく設定されている。

この構成によれば、ビームベンダによって曲げられた電子線の集束性を向上させることができる。より具体的には、内側曲面と外側曲面との間に入射した電子線の中心軌道に対して所定距離だけ離間して平行に入射された電子線が内側曲面と外側曲面との間を通過した後に中心軌道と交差する位置のずれを小さくすることができる。

また、本発明のビームベンダでは、前記第２断面において、前記内側曲面の中心位置を通る前記内側曲面の法線と前記外側曲面の中心位置を通る前記外側曲面の法線は一致し、前記電子線の通過する位置は前記法線上に設定され、前記内側曲面の曲面形状は前記法線を中心とした対称形状を有し、前記外側曲面の曲面形状は前記法線を中心とした対称形状を有してもよい。

この構成によれば、内側曲面と外側曲面が対称形状を有しているので、ビームベンダによって曲げられた電子線の対称性を向上させることができる。

また、本発明のビームベンダでは、前記第１断面において、前記内側曲面と前記外側曲面との間の中点を通過する電子線の中心軌道に対して所定距離だけ離間して平行に入射された電子線が前記内側曲面と前記外側曲面との間を通過した後に前記中心軌道と交差する位置のずれが小さくなるように、前記第２断面における前記内側曲面の曲率半径と前記外側曲面の曲率半径が設定されてもよい。

この構成によれば、第２断面における内側曲面の曲率半径と外側曲面の曲率半径を適切に設定することによって、ビームベンダによって曲げられた電子線の集束性を向上させることができる。

また、本発明のビームベンダでは、前記第２断面における前記内側曲面の曲率半径は、前記第１断面における前記内側曲面の曲率半径の１倍より大きく、前記第１断面における前記内側曲面の曲率半径の３倍以下に設定され、前記第２断面における前記外側曲面の曲率半径は、前記第１断面における前記外側曲面の曲率半径の１倍より大きく、前記第１断面における前記外側曲面の曲率半径の３倍以下に設定されてもよい。

本発明によれば、ビームベンダによって曲げられた電子線の集束性を向上することができる。また、本発明のビームベンダを分光器として使用する事で電子線の分光特性の向上が期待できる。

本発明の実施の形態におけるビームベンダが適用される電子線装置（マルチビーム走査式の電子顕微鏡）の説明図である。本発明の実施の形態におけるビームベンダの断面図（図３におけるＡ−Ａ断面図）である。本発明の実施の形態におけるビームベンダの断面図（図２におけるＢ−Ｂ断面図）である。本発明の実施の形態におけるビームベンダの電子線の集束性の説明図である。本発明の実施の形態におけるビームベンダの電圧調整の流れを示すフロー図である。本発明の実施の形態におけるビームベンダの集束性を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態のビームベンダについて、図面を用いて説明する。本実施の形態では、マルチビーム走査式の電子顕微鏡等の電子線装置に用いられるビームベンダの場合を例示する。

図１は、本実施の形態のビームベンダが適用される電子線装置（マルチビーム走査式の電子顕微鏡）の構成を示す説明図である。図１に示すように、電子線装置１は、電子線を試料Ｗに照射するための１次光学系２と、試料Ｗから放出された２次電子を検出するための２次光学系３を備えている。試料Ｗは、例えば半導体ウェハなどであり、ステージ４上に載置されている。

１次光学系２は、電子線を放出する電子銃５と、電子銃５から放出された電子線（電子ビーム）を集束する集光レンズ６と、集光レンズ６の下流に配置されるマルチ開口板７を備えている。マルチ開口板７は、複数の開口を有しており、電子ビームから複数の電子ビーム（マルチビーム）を生成する機能を備えている。また、１次光学系２は、電子ビームを縮小する集光レンズ８と、電子ビームを走査させる偏向器９と、ウイーンフィルタ１０（Ｅ×Ｂ）と、対物レンズ１１を備えている。

２次光学系３は、ウィーンフィルタ１０により１次光学系２から分離された２次電子を曲げるビームベンダ１２と、ビームベンダ１２の下流に配置される１段以上の投影レンズ１３と、マルチ開口板７の複数の開口に対応する複数の開口を有するマルチ開口検出板１４と、マルチ開口検出板１４の複数の開口に対応する位置に近接して配置される複数の検出器１５を備えている。ビームベンダ１２には、電圧調整（後述する）を行うための電圧制御部１６が備えられている。

図２および図３は、ビームベンダ１２の構成を説明するための断面図である。図２および図３に示すように、ビームベンダ１２は、内側曲面１７を有する内電極１８と、外側曲面１９を有する外電極２０と、内電極１８と外電極２０の外側に配置される接地電極２１を備えている。このビームベンダ１２は、内電極１８と外電極２０にそれぞれ異なる電位を印加する事により生じる電界によって、内側曲面１７と外側曲面１９の間を通過する電子線（２次電子）を所定角度曲げる機能を備えている（図４参照）。なお、図２は、内側曲面１７と外側曲面１９の間を通過する電子線の進行方向に沿った第１断面における断面図（図３におけるＡ−Ａ断面図）であり、図３は、電子線の進行方向に対して垂直な第２断面における断面図（図２におけるＢ−Ｂ断面図）である。

図２に示すように、第１断面（電子線の進行方向に沿った断面）において、内側曲面１７の曲率および外側曲面１９の曲率はそれぞれ一定であり、内側曲面１７の曲率中心と外側曲面１９の曲率中心は一致するように設定されている。図２では、第１断面における内側曲面１７の曲率半径はＲｉ１（例えば、Ｒｉ１＝６５ｍｍ）、第１断面における外側曲面１９の曲率半径はＲｏ１（例えば、Ｒｏ１＝７５ｍｍ）、第１断面における内側曲面１７と外側曲面１９との間の中点を通過する電子線の中心軌道の曲率半径はＲ１（例えば、Ｒ１＝７０ｍｍ）、第１断面における内側曲面１７の曲率中心と外側曲面１９の曲率中心はＣ１で示されている。

また、図３に示すように、第２断面（電子線の進行方向に対して垂直な断面）において、内側曲面１７の曲率および外側曲面１９の曲率はそれぞれ一定であり、内側曲面１７の曲率中心と外側曲面１９の曲率中心は一致するように設定されている。図３では、第２断面における内側曲面１７の曲率半径はＲｉ２（例えば、Ｒｉ２＝７５ｍｍ、１１５ｍｍ）、第２断面における外側曲面１９の曲率半径はＲｏ２（例えば、Ｒｏ２＝８５ｍｍ、１２５ｍｍ）、第２断面における内側曲面１７と外側曲面１９との間を通過する電子線の中心軌道の曲率半径はＲ２（例えば、Ｒ２＝８０ｍｍ、１２０ｍｍ）、第２断面における内側曲面１７の曲率中心と外側曲面１９の曲率中心はＣ２で示されている。

この場合、第２断面における内側曲面１７の曲率半径（例えば、Ｒｉ２＝７５ｍｍ、１１５ｍｍ）は、第１断面における内側曲面１７の曲率半径より大きく設定されている（例えば、Ｒｉ１＝６５ｍｍ）。また、第２断面における外側曲面１９の曲率半径（例えば、Ｒｏ２＝８５ｍｍ、１２５ｍｍ）は、第１断面における外側曲面１９の曲率半径（例えば、Ｒｏ１＝７５ｍｍ）より大きく設定されている。また、第２断面における中心軌道の曲率半径（例えば、Ｒ２＝８０ｍｍ、１２０ｍｍ）は、第１断面における中心軌道の曲率半径（例えば、Ｒ１＝７０ｍｍ）より大きく設定されている。

また、図３に示すように、第２断面（電子線の進行方向に対して垂直な断面）において、内側曲面１７の中心位置を通る内側曲面１７の法線と外側曲面１９の中心位置を通る外側曲面１９の法線は一致し、電子線の通過する位置は法線上に設定されている。そして、内側曲面１７の曲面形状は法線を中心とした対称形状（図３における左右対称形状）を有し、外側曲面１９の曲面形状は法線を中心とした対称形状（図３における左右対称形状）を有している。

この場合、図４（ａ）に示すように、二方向集束条件において、第１断面（電子線の進行方向に沿った断面）において、内側曲面１７と外側曲面１９との間を通過する電子線の中心軌道に対して所定距離だけ離間して平行に入射された電子線が内側曲面１７と外側曲面１９との間を通過した後に中心軌道と交差する位置のずれが小さくなるように、第２断面における内側曲面１７の曲率半径（例えば、Ｒｉ２＝７５ｍｍ、１１５ｍｍ）と外側曲面１９の曲率半径（例えば、Ｒｏ２＝８５ｍｍ、１２５ｍｍ）が設定されている。

第１断面（電子線の進行方向に沿った断面）において、内側曲面１７と外側曲面１９との間を通過する電子線の中心軌道に対して所定距離だけ離間して平行に入射された電子線が内側曲面１７と外側曲面１９との間を通過した後に中心軌道と交差する位置のずれを小さくするためには、第２断面における内側曲面１７の曲率半径は、第１断面における内側曲面１７の曲率半径の１倍より大きく、第１断面における内側曲面１７の曲率半径の３倍以下（１×Ｒｉ１＜Ｒｉ２≦３×Ｒｉ１）に設定されることが好ましく、第２断面における外側曲面１９の曲率半径は、第１断面における外側曲面１９の曲率半径の１倍より大きく、第１断面における外側曲面１９の曲率半径の３倍以下（１×Ｒｏ１＜Ｒｏ２≦３×Ｒｏ１）に設定されることが好ましい。

中心軌道が直線で、かつ回転対称の静電レンズまたは電磁レンズの場合、中心軌道と所定距離離間して平行に入射した電子線の焦点距離の位相依存性はない。一方、本発明のビームベンダのように、中心軌道が曲線の場合、中心軌道と所定距離離間して平行に入射した電子線の焦点距離は、中心軌道を含む平面に対する位相への依存性がある。図４（ａ）は、それを視覚的に説明したものである。電子線の中心軌道Ｏ、図３で中心軌道Ｏに対して真上の位置で入射された軌道Ａ、そして、図３で中心軌道Ｏに対して真下の位置で入射された軌道Ｂのそれぞれの軌道を図示した。それぞれの軌道はビームベンダを通過後、まず軌道Ａが軌道Ｏと交差し、ついで軌道Ｂが軌道Ｏと交差する。本明細に於いて、集束性は、位相の違うビームの軌道が中心軌道と交差する位置の最大値と最小値の差の観点で議論する。ここでは、中心軌道との交差位置ずれ量と呼称する。

中心軌道との交差位置ずれ量は、内電極、外電極それぞれに印加する電位によっても変化する。図４（ｂ）は、電界計算と荷電粒子軌道計算からなる数値シミュレーションによる、中心軌道との交差位置ずれ量を評価するための電子線の入射時の位相を示す。図４（ｂ）に於ける上下左右は、図３の電子線の中心軌道に対する上下左右と一致する。この場合、図４（ｂ）に示すように、電子線の中心軌道Ｏに対して、−９０度、−６７．５度、−４５度、−２２．５度、０度、２２．５度、４５度、６７．５度、９０度の位相で所定距離ｒだけ離間して平行に入射された電子線が内側曲面１７と外側曲面１９との間を通過した後に中心軌道と交差する位置を算出し、その最大値と最小値の差として交差位置ずれ量を算出する。

図５は、ビームベンダ１２の内側電極と外側電極に印加する電圧を数値シミュレーションで決定するときの流れを示すフロー図である。ビームベンダ１２の電圧調整は、電圧制御部１６によって行われる。この場合、内側電極には電圧Ｖ１＋Ｖ２が印加され、外側電極には電圧−Ｖ１＋Ｖ２が印加される。

図５に示すように、ビームベンダ１２の電圧調整をするときには、まず、Ｖ１とＶ２の初期値を設定して（Ｓ１）、数値シミュレーションによって電界計算（Ｓ２）と軌道計算（Ｓ３）を行う。そして、電子線（２次電子）の曲げ角が所定角（例えば３０度）であるか否かを判定し（Ｓ４）、曲げ角が所定角でない場合には（Ｓ４でＮＯ）、電圧Ｖ１を調整する（Ｓ５）。

電圧Ｖ１を調整して電子線（２次電子）の曲げ角が所定角（例えば３０度）になると（Ｓ４でＹｅｓ）、電子線（２次電子）の中心軌道Ｏに対して所定距離ｒだけ離間して平行に入射された電子線が内側曲面１７と外側曲面１９との間を通過した後に中心軌道と交差する位置のずれを測定する。

この場合、電子線の中心軌道Ｏに対して、−９０度、−６７．５度、−４５度、−２２．５度、０度、２２．５度、４５度、６７．５度、９０度の位相で所定距離ｒだけ離間して平行に入射された電子線が内側曲面１７と外側曲面１９との間を通過した後に中心軌道と交差する位置のずれを測定する。

そして、測定した位置ずれ量が極小であるか否かを判定し（Ｓ６）、位置ずれ量が極小でない場合には（Ｓ６でＮＯ）、電圧Ｖ２を調整する（Ｓ７）。電圧Ｖ２を調整した結果、位置ずれ量が極小になると、この電圧調整の処理を終了する。なお、一連のプロセスに、２変量のニュートン・ラフソン法などの公知の手法を用いることも可能である。

ここで求められた電圧条件は、一般に二方向集束条件と呼ばれるが、中心軌道との交差位置ずれ量は極小ではあるが、０ではない。二方向集束条件に於ける交差位置ずれ量は、個々のビームベンダの機械的な構成からなる固有の値であり、これがより０に近い程、集束性の良いビームベンダと言える。

図６には、第２断面における電子線の中心軌道の曲率半径をＲ２＝７０ｍｍとした比較例と、Ｒ２＝８０ｍｍとした実施例１と、Ｒ２＝１２０ｍｍとした実施例２について、電子線の中心軌道Ｏに対して、−９０度、−６７．５度、−４５度、−２２．５度、０度、２２．５度、４５度、６７．５度、９０度の位相で所定距離ｒだけ離間して平行に入射された電子線が、二方向集束条件の電位がそれぞれ印加された内側曲面１７と外側曲面１９との間を通過した後に中心軌道と交差する位置を、位相０度の交差位置に対する相対値として示されている。図６のグラフから、比較例よりも実施例１の方が、さらに実施例１よりも実施例２の方が、交差位置ずれ量が小さくなっている事がわかる。交差位置ずれ量の小さいビームベンダの第２断面における電子線の中心軌道の曲率半径Ｒ２はこのようにして決定される。

このような本実施の形態のビームベンダ１２によれば、ビームベンダ１２によって曲げられた電子線の集束性を向上させることができる。より具体的には、内側曲面１７と外側曲面１９との間を通過する電子線の中心軌道に対して所定距離だけ離間して平行に入射された電子線が内側曲面１７と外側曲面１９との間を通過した後に中心軌道と交差する位置のずれを小さくすることができる。

なお、以上の説明では、内側曲面１７と外側曲面１９との間を通過する電子線の中心軌道に対して所定距離だけ離間して平行に入射された電子線が内側曲面１７と外側曲面１９との間を通過した後に中心軌道と交差する位置のずれを小さくする事のみを論じてきたが、平行ではない電子線が入射されるケースや離間距離が位相に応じて微小に異なるケースに於いても、その性状が予めわかっていれば、同様の手法を用いて中心軌道と交差する位置のずれが最小となる内側曲面１７と外側曲面１９の曲率をそれぞれ決定する事が可能である。

また、本実施の形態では、内側曲面１７と外側曲面１９が対称形状を有しているので、ビームベンダ１２によって曲げられた電子線の対称性を向上させることができる。また、第２断面における内側曲面１７の曲率半径と外側曲面１９の曲率半径を適切に設定することによって、ビームベンダ１２によって曲げられた電子線の集束性を向上させることができる。

以上、本発明の実施の形態を例示により説明したが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではなく、請求項に記載された範囲内において目的に応じて変更・変形することが可能である。

本発明のビームベンダは、様々なエネルギーの混在した電子線から所定のエネルギーを持つ電子のみを取り出す分光器として使用することも可能である。本発明のビームベンダを分光器として使用すれば、上述のように本発明のビームベンダは電子線の集束性が高いので、分光後に他のエネルギーの電子線が混入する割合を下げることができ、分光特性（エネルギー分解能）が向上する。

以上のように、本発明にかかるビームベンダは、ビームベンダによって曲げられた電子線の集束性を向上することができるという効果を有し、電子顕微鏡等に用いられ有用である。

１電子線装置
２１次光学系
３２次光学系
４ステージ
５電子銃
６集光レンズ
７マルチ開口板
８集光レンズ
９偏向器
１０ウイーンフィルタ
１１対物レンズ
１２ビームベンダ
１３投影レンズ
１４マルチ開口検出板
１５検出器
１６電圧制御部
１７内側曲面
１８内電極
１９外側曲面
２０外電極
２１接地電極

Claims

内側曲面を有する内電極と外側曲面を有する外電極を備え、前記内電極と前記外電極にそれぞれ異なる電位を印加する事により生じる電界によって、前記内側曲面と前記外側曲面の間を通過する電子線を曲げるためのビームベンダであって、
前記内側曲面と前記外側曲面の間を通過する前記電子線の進行方向に沿った第１断面において、前記内側曲面の曲率および前記外側曲面の曲率はそれぞれ一定であり、前記内側曲面の曲率中心と前記外側曲面の曲率中心は一致するように設定され、
前記電子線の進行方向に対して垂直な第２断面において、前記内側曲面の曲率および前記外側曲面の曲率はそれぞれ一定であり、前記内側曲面の曲率中心と前記外側曲面の曲率中心は一致するように設定され、
前記第２断面における前記内側曲面の曲率半径は、前記第１断面における前記内側曲面の曲率半径より大きく設定され、
前記第２断面における前記外側曲面の曲率半径は、前記第１断面における前記外側曲面の曲率半径より大きく設定されている、ことを特徴とするビームベンダ。
前記第２断面において、前記内側曲面の中心位置を通る前記内側曲面の法線と前記外側曲面の中心位置を通る前記外側曲面の法線は一致し、前記電子線の通過する位置は前記法線上に設定され、前記内側曲面の曲面形状は前記法線を中心とした対称形状を有し、前記外側曲面の曲面形状は前記法線を中心とした対称形状を有する、請求項１に記載のビームベンダ。
前記第１断面において、前記内側曲面と前記外側曲面との間に入射した電子線の中心軌道に対して所定距離だけ離間して平行に入射された電子線が前記内側曲面と前記外側曲面との間を通過した後に前記中心軌道と交差する位置のずれが小さくなるように、前記第２断面における前記内側曲面の曲率半径と前記外側曲面の曲率半径が設定されている、請求項１または請求項２に記載のビームベンダ。
前記第２断面における前記内側曲面の曲率半径は、前記第１断面における前記内側曲面の曲率半径の１倍より大きく、前記第１断面における前記内側曲面の曲率半径の３倍以下に設定され、
前記第２断面における前記外側曲面の曲率半径は、前記第１断面における前記外側曲面の曲率半径の１倍より大きく、前記第１断面における前記外側曲面の曲率半径の３倍以下に設定されている、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のビームベンダ。