JP2021048114A - Scanning electron microscope and secondary electron detection method for scanning electron microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、サンプルから放出された2次電子を検出して該サンプルの2次電子画像を生成する走査型電子顕微鏡および走査型電子顕微鏡の2次電子検出方法に関するものである。 The present invention relates to a method for detecting secondary electrons of a scanning electron microscope and a scanning electron microscope that detect secondary electrons emitted from a sample and generate a secondary electron image of the sample.
半導体産業はムーアの法則で有名な微細加工技術の進展によりもたらされるデバイス性能向上およびコストメリットで経済が支えられている。しかし、半導体デバイスの微細加工限界は露光技術によって決定される。露光技術はパターンを作り出すためのフォトマスクと呼ばれる原版と露光装置およびパターンを形成するレジストから成っている。現状露光装置は4対1の縮小露光技術が使用されているため、半導体デバイスが実際に作られるシリコンウエハー上の構造物の4倍の大きさの構造がフォトマスク上に形成されている。 The semiconductor industry is supported by the improved device performance and cost benefits brought about by the advancement of microfabrication technology, which is famous for Moore's Law. However, the microfabrication limit of semiconductor devices is determined by exposure technology. The exposure technique consists of an original plate called a photomask for creating a pattern, an exposure apparatus, and a resist for forming the pattern. Since the current exposure apparatus uses a 4: 1 reduction exposure technique, a structure four times as large as the structure on the silicon wafer on which the semiconductor device is actually manufactured is formed on the photomask.
フォトマスク上に作られたパターンを如何に正確にウエハー表面のレジスト膜へと転写できるかが露光技術最大の課題である。仮にフォトマスクに異常があればそれは露光装置によってウエハー表面に転写されウエハー上に不具合が生じる。 The biggest issue in exposure technology is how accurately the pattern created on the photomask can be transferred to the resist film on the wafer surface. If there is an abnormality in the photomask, it will be transferred to the wafer surface by the exposure apparatus and a defect will occur on the wafer.
露光不良を防止するためには少なくともフォトマスクを検査して正しい状態に修正し完璧な状態にすることが必要である。露光に利用される光の波長は時代とともに短波長化が進められている。 In order to prevent poor exposure, it is necessary to at least inspect the photomask and correct it to the correct state to make it perfect. The wavelength of light used for exposure is becoming shorter with the times.
20世紀終盤から露光光源には193nmの光源が使用されてきたため、長期にわたってフォトマスク上のパターンは193nm等のレーザー光線を照明光とする光学式マスクパターン検査装置を用いて検査が行われてきた。 Since a light source of 193 nm has been used as an exposure light source since the end of the 20th century, patterns on photomasks have been inspected for a long time using an optical mask pattern inspection device that uses a laser beam of 193 nm or the like as illumination light.
しかしながら、2019年より波長が13.5nmと短いEUV光を用いた露光技術が本格導入されたため、露光できる微細加工限界がより小さくなり、フォトマスク上のパターンも従来の最小パターンサイズ100nm程度の大きさから60nm以下と小さくなり、従来の193nmの光では十分な検査が出来なくなってきた。 However, since the exposure technology using EUV light with a short wavelength of 13.5 nm was introduced in earnest in 2019, the fine processing limit that can be exposed becomes smaller, and the pattern on the photomask is as large as the conventional minimum pattern size of about 100 nm. As a result, it became as small as 60 nm or less, and sufficient inspection could not be performed with the conventional light of 193 nm.
一方、13.5nmの波長を用いたいわゆるアクティニック検査装置も開発中である。しかし、波長が13.5nmと短くなると空気によって吸収されてしまうため、装置を真空化する必要が生じ非常に複雑に成る。また、13.5nmの光を透過できる光学レンズが存在しないため、光学系は全て反射光学系となり、これもまた複雑で効率の悪いものに成る。 On the other hand, a so-called actinic inspection device using a wavelength of 13.5 nm is also under development. However, when the wavelength is as short as 13.5 nm, it is absorbed by air, so that it becomes necessary to evacuate the device, which is very complicated. Further, since there is no optical lens capable of transmitting light of 13.5 nm, all the optical systems are reflective optical systems, which are also complicated and inefficient.
光学装置の解像度は開口率NAに比例する性質がある。例えば、193nmを用いた光学系の場合、液浸や油浸などを利用することにより1を超える大きな開口率が実現できるため、193nmと長い波長であるにもかかわらず40nm程度のパターンを解像することが出来る。一方、EUV光を用いた場合、反射光学系を用いるためNAが0.3などと小さな開口率しか実現できず、波長が10分の1と短いにもかかわらず精々27nm程度の解像度しか得られず、波長が短く成った割には性能向上が小さい。 The resolution of the optical device has a property of being proportional to the aperture ratio NA. For example, in the case of an optical system using 193 nm, a large aperture ratio exceeding 1 can be realized by using immersion or oil immersion, so that a pattern of about 40 nm can be resolved even though the wavelength is as long as 193 nm. Can be done. On the other hand, when EUV light is used, the aperture ratio is as small as 0.3 because the reflected optical system is used, and even though the wavelength is as short as 1/10, only a resolution of about 27 nm can be obtained. However, the performance improvement is small for the shorter wavelength.
また、例えば検出対象がパーティクルの場合、パーティクルサイズの6乗に比例して反射光が弱まり、波長の2乗で反射光が強くなる。つまり、パーティクルサイズが小さくなると信号強度は急激に弱くなるため検出感度は激減する。このように光学技術を用いたフォトマスク検査技術は技術的に限界を迎えている。また、従来光学原理を用いた装置は大気中で動作したため、装置製造や運用が容易であったが、波長が短くなると空気に吸収されてしまうため真空チャンバーが必要となり電子ビームに対する使い勝手に対する優位性が無くなる。 Further, for example, when the detection target is particles, the reflected light weakens in proportion to the sixth power of the particle size, and the reflected light becomes stronger at the square of the wavelength. That is, as the particle size becomes smaller, the signal strength sharply weakens, so that the detection sensitivity drops sharply. As described above, the photomask inspection technology using the optical technology has reached the technical limit. In addition, since the device using the conventional optical principle operated in the atmosphere, it was easy to manufacture and operate the device, but when the wavelength is shortened, it is absorbed by the air, so a vacuum chamber is required and it is superior to the electron beam in terms of usability. Is gone.
一方、nmオーダー以下の高解像度を実現する技術としては電子顕微鏡がある。30年以上前から電子ビームを用いた電子ビーム式検査技術が開発されてきている。商品化は行われているが中々主たる検査装置としては実用化していないのが現状である。 On the other hand, there is an electron microscope as a technique for realizing a high resolution on the order of nm or less. An electron beam type inspection technology using an electron beam has been developed for more than 30 years. Although it has been commercialized, it has not been put into practical use as a main inspection device.
レーザー光線と違い電子ビームにはレーザーのようにエネルギーの分散が小さくて輝度の高い電子ビーム源が無い。さらに電子はマイナス電荷を持つため絞り込むと電子同士がお互いに静電反発する。そのため、高速検査に必要とされる大電流を流すと光学限界以上に最小ビームスポットサイズが大きくなってしまい、分解能が劣化する。つまり、1本の電子ビームを用いた場合、分解能と検査速度は非常にきついトレードオフの関係があるため、容易に検査速度を上げることが出来ていない。 Unlike a laser beam, an electron beam does not have an electron beam source with a small energy dispersion and high brightness like a laser. Furthermore, since electrons have a negative charge, when they are narrowed down, the electrons repel each other electrostatically. Therefore, when a large current required for high-speed inspection is passed, the minimum beam spot size becomes larger than the optical limit, and the resolution deteriorates. That is, when one electron beam is used, the resolution and the inspection speed have a very tight trade-off relationship, so that the inspection speed cannot be easily increased.
例えば、現在知られている1つのビームを用いて実現できる最高速度は精々数百Mピクセル毎秒である。フォトマスクは凡そ10cm角の領域にパターンが書かれているため、その領域を全て検査することが必要である。例えば、現在のフォトマスク上のパターンが十分に解像できる10nmの分解能で検査するためには、10の14乗ピクセルの画素を取得する必要がある。例えば100Mピクセル毎秒で画素取得すると10の6乗秒が必要で277時間つまり10日以上掛かる。従来のフォトマスク検査装置は約2時間で1枚のフォトマスクを検査することが可能なので、これでは遅すぎて実用上使えない。 For example, the maximum speed that can be achieved with one currently known beam is at most hundreds of megapixels per second. Since the pattern is written on the photomask in an area of about 10 cm square, it is necessary to inspect the entire area. For example, in order to inspect the pattern on the current photomask with a resolution of 10 nm that can sufficiently resolve it, it is necessary to acquire 10 14 pixel pixels. For example, if a pixel is acquired at 100 Mpixels per second, 10 6 seconds is required, which takes 277 hours, that is, 10 days or more. Since the conventional photomask inspection device can inspect one photomask in about 2 hours, this is too slow to be practically used.
一方、最近マルチビーム検査装置と呼ばれる電子ビームを複数個同時にサンプルに照射して高速検査を行う方法が研究されている。 On the other hand, recently, a method called a multi-beam inspection device, in which a plurality of electron beams are simultaneously irradiated to a sample to perform high-speed inspection, has been studied.
この方法では、100本以上の小さな電子ビームを同時に照射して走査を行うため1本に流す電流量を小さく抑えることが可能で、高分解能を維持したままで検査速度を従来の1本の電子ビームを用いた場合と比較して高速に出来るとされている。 In this method, since scanning is performed by simultaneously irradiating 100 or more small electron beams, it is possible to keep the amount of current flowing through one beam small, and the inspection speed can be increased to a conventional single electron while maintaining high resolution. It is said that the speed can be increased compared to the case where a beam is used.
しかしながら、従来から多くのリソースが投入され色々な形式の検査装置が開発されており、非常に有望視されているが、当初思ったほどの高速化や高分解能化が実現できておらず、未だに半導体用検査装置としては商品化されていない。 However, many resources have been invested in the past and various types of inspection equipment have been developed, and although they are very promising, they have not been able to achieve the high speed and high resolution that were initially expected, and they are still in use. It has not been commercialized as an inspection device for semiconductors.
半導体産業で使用する装置は工業用計測装置であり一種のミッションクリティカルな装置で24時間365日不具合を起こさずに稼働し続ける必要があるため、原理的にロバストが必須である。 The equipment used in the semiconductor industry is an industrial measuring equipment, which is a kind of mission-critical equipment and needs to continue to operate 24 hours a day, 365 days a year without causing any trouble. Therefore, robustness is indispensable in principle.
理科学機器装置のように大学の先生や生徒が偶に使って論文が書ける程度では全く実用上使えない。いろいろな測定条件や測定対象あるいは環境変化さらに長期にわたって性能が安定に保たれている必要がある。 It cannot be practically used to the extent that university professors and students can write a treatise by chance, as in the case of science and science equipment. It is necessary that the performance is kept stable for various measurement conditions, measurement targets, environmental changes, and for a long period of time.
上述したマルチビーム検査装置では、シングルビーム式のCDSEM自身は既に工業計測装置としての安定度を実現しているため、通常の電子ビーム光学系自身の安定性はかなり担保されている。しかし、ロバスト性を失う1つの原因は通常のシングルビームの電子ビーム光学系には存在しないビームスプリッターを実装しているところにある。ビームスプリッターは超精密工学機器であり、ミクロンオーダーの高度の加工精度と組み立て精度を要求する。 In the above-mentioned multi-beam inspection apparatus, since the single-beam type CDSEM itself has already realized the stability as an industrial measuring apparatus, the stability of the ordinary electron beam optical system itself is considerably guaranteed. However, one cause of loss of robustness is the implementation of a beam splitter that does not exist in ordinary single-beam electron beam optics. Beam splitters are ultra-precision engineering equipment and require a high degree of machining accuracy and assembly accuracy on the order of microns.
ビームスプリッターは1次電子ビームとサンプルからの信号電子である2次電子ビームを分離するための装置である。写像光学系を用いた場合、1次電子を収束させる光学系と、2次電子を収束させる光学系を同時に持つ必要がある。同じ軌道上にある電子に対して異なった電子光学系を適用して両者に対して同時最適化することは原理的および実用上非常に困難である。 A beam splitter is a device for separating a primary electron beam and a secondary electron beam which is a signal electron from a sample. When a mapping optical system is used, it is necessary to have an optical system for converging primary electrons and an optical system for converging secondary electrons at the same time. It is very difficult in principle and practically to apply different electron optics to electrons in the same orbit and to optimize them at the same time.
そこで、従来から1次電子ビームの軌道と、2次電子ビームの軌道を分けて別々の光学系を用いて最適化を図ってきた。それを行うためにビームスプリッターが必要とされる。 Therefore, conventionally, the trajectory of the primary electron beam and the trajectory of the secondary electron beam have been separated and optimized by using separate optical systems. A beam splitter is needed to do that.
ビームスプリッターは従来からEXBと呼ばれるウィーンフィルターあるいは電磁場のみを用いた磁場プリズムアレイなどで構成されていた。もともと従来のビームスプリッターは名前からも明らかなようにビームに含まれている色々なエネルギーの電子ビーム成分を偏向することにより個々のエネルギービームにスペクトル分解して細いスリットを通過させることでエネルギーの揃っている一部分を取り出すことにあり、これを無理に転用したものである。 Conventionally, the beam splitter has been composed of a Wien filter called EXB or a magnetic field prism array using only an electromagnetic field. Originally, as is clear from the name, the conventional beam splitter deflects the electron beam components of various energies contained in the beam to split the spectrum into individual energy beams and pass them through a narrow slit to align the energies. It is to take out a part of the energy, which is forcibly diverted.
1次電子ビームと2次電子ビームを分離するためには、1次電子と2次電子を進行方向に対して逆の方向に偏向することが必要である。そのためにフレミングの法則で知られる磁気偏向装置を用いて1次電子と2次電子がお互いに逆の方向に進行方向に進むことを利用してお互いに逆方向に偏向をすることで分離している。 In order to separate the primary electron beam and the secondary electron beam, it is necessary to deflect the primary electrons and the secondary electrons in the directions opposite to the traveling direction. For this purpose, a magnetic deflector known as Fleming's law is used to separate the primary and secondary electrons by deflecting them in opposite directions by using the fact that they travel in opposite directions. There is.
EXBは1次電子あるいは2次電子のいずれかが磁場偏向しないように電子のエネルギーに匹敵するような大きな電場を加えて調整する仕組み。これは、目的とする電子ビームを直進させることでレンズ収差発生を小さく抑えることにある。偏向量は10度程度と余り大きく偏向することは出来ないので、そのままでは1次電子ビーム用のコラムと2次電子用のコラムが接触してしまう。そこで、分離が大きくなるように分離した電子ビームにさらに電場や磁場を加えて同じ方向に曲げるなどして利用している。 EXB is a mechanism that adjusts by applying a large electric field comparable to the energy of electrons so that either primary electrons or secondary electrons do not deflect the magnetic field. This is to suppress the occurrence of lens aberration by making the target electron beam travel straight. Since the amount of deflection cannot be as large as about 10 degrees, the column for the primary electron beam and the column for the secondary electrons come into contact with each other as they are. Therefore, an electric field or a magnetic field is further applied to the separated electron beam so that the separation becomes large, and the electron beam is bent in the same direction.
一方、電磁場プリズムアレイでは、ただ磁場を加えて電子ビームを曲げるだけなので、大きな磁場を容易に適用できる。いくつかの電磁偏向器を同じ方向に曲がるように2つ以上の磁場偏向器をアレイにして用いることで90度近い偏向が実現できる。 On the other hand, in the electromagnetic field prism array, a large magnetic field can be easily applied because the electron beam is bent by simply applying a magnetic field. A deflection of nearly 90 degrees can be achieved by using two or more magnetic field deflectors in an array so that several electromagnetic deflectors bend in the same direction.
1次電子ビームのエネルギーがレーザーのように正確に一定であれば、偏向収差が発生しないので上記偏向器を用いて理想的に自由に電子ビームの軌道を変えることが出来る。 If the energy of the primary electron beam is exactly constant like a laser, deflection aberration does not occur, so that the trajectory of the electron beam can be ideally and freely changed by using the deflector.
しかしながら実際の1次電子ビームには電子ビーム発生原理に依存した1エレクトロンボルト程度のエネルギー分布があるため、磁気偏向装置を通過すると偏向されるに従って、電子エネルギーごとに偏向量が異なるため、虹のようにビームが広がってしまう。つまり1次電子ビームが空間的に分散してしまい対物レンズで絞った際のビームスポットの最小径が大きくなってしまい、到達分解能が低くなってしまう原因に成る。 However, since the actual primary electron beam has an energy distribution of about 1 electron volt depending on the electron beam generation principle, the amount of deflection differs for each electron energy as it is deflected when passing through a magnetic deflector. The beam spreads like this. That is, the primary electron beam is spatially dispersed, the minimum diameter of the beam spot when the beam is focused by the objective lens becomes large, and the reaching resolution becomes low.
一方、2次電子ビームにおいては1次電子ビームよりも100倍も大きい最大0から100エレクトロンボルト程度のエネルギー分布があるため、磁気偏向装置を通過すると1次電子ビームよりも100倍以上も電子ビームが広がってしまうため、2次電子検出素子面において高い空間分解能を得ることが非常に困難であった。これは、EXBなどのウィーンフィルターが電子ビームのエネルギーを分離するための道具であることから来る自然な結論である。 On the other hand, since the secondary electron beam has an energy distribution of up to 0 to 100 electron volts, which is 100 times larger than the primary electron beam, the electron beam passes through the magnetic deflector and is 100 times more than the primary electron beam. It was very difficult to obtain high spatial resolution on the surface of the secondary electron detection element. This is a natural conclusion that comes from the fact that Wien filters such as EXB are tools for separating the energy of electron beams.
従来、これらの不具合を低減するため1次電子ビームには15KV以上の高い加速電圧を用いて見かけ上のエネルギー分散の割合を小さくして偏向収差の影響を小さくする施策が取られてきた。同様に2次電子ビームに対しても15KV程度の加速電圧を印加して加速することで偏向収差の影響を低減してきたため装置に耐電圧が必要となり大掛かりに成っていた。さらに収差の影響を防止するために特定のエネルギーをもつ電子だけを抽出して利用するために数ミクロンの細いスリットを通過させるため、利用できる信号電子量が減少し画像が暗くなりSNRが劣化する等の現象が生じていた。 Conventionally, in order to reduce these problems, measures have been taken to reduce the influence of deflection aberration by using a high acceleration voltage of 15 KV or more for the primary electron beam to reduce the apparent energy dispersion ratio. Similarly, since the influence of the deflection aberration has been reduced by applying an acceleration voltage of about 15 KV to the secondary electron beam to accelerate it, a withstand voltage is required for the device, which is a large scale. Furthermore, in order to prevent the influence of aberration, only electrons with a specific energy are extracted and passed through a thin slit of several microns to be used, so that the amount of signal electrons that can be used decreases, the image becomes dark, and the SNR deteriorates. Etc. have occurred.
更に、別の原因として、偏向装置は電子のエネルギーに依存した偏向量を示すためサンプル表面が帯電して2次電子のエネルギーが数ボルトから数百ボルトに変化すると偏向量が100倍も変化するため正しい2次電子画像を得ることが出来ないという課題があった。サンプル電位を0Vあるいは一定の電位に固定できる場合にのみ測定可能で事実上一般的なサンプルや絶縁体の測定は不可能であった。 Furthermore, as another cause, since the deflector shows the amount of deflection depending on the energy of electrons, the amount of deflection changes 100 times when the sample surface is charged and the energy of secondary electrons changes from several volts to several hundred volts. Therefore, there is a problem that a correct secondary electronic image cannot be obtained. It can be measured only when the sample potential can be fixed at 0 V or a constant potential, and it is virtually impossible to measure a general sample or insulator.
そのため、本発明は、従来の技術思想とは全く逆に極力電子ビーム軌道をエネルギーの違いによって分散をさせないことに目的を置いている。偏向装置で発生するエネルギー分散に起因する偏向収差をキャンセルしてあるいは低減して1次電子ビームをより小さなビームに絞り、サンプル表面で発生した2次電子を高い空間分解能で検出すると共に、リターディング電圧を印加して低エネルギー電子ビームにも関わらず高分解能で検出可能、更に、低真空中でも高分解能で検出可能にすることを提案する。 Therefore, the object of the present invention is to prevent the electron beam orbitals from being dispersed due to the difference in energy as much as possible, contrary to the conventional technical idea. The deflection aberration caused by the energy dispersion generated by the deflector is canceled or reduced to narrow the primary electron beam to a smaller beam, and the secondary electrons generated on the sample surface are detected with high spatial resolution and retarding. We propose to apply a voltage so that it can be detected with high resolution in spite of the low energy electron beam, and further, it can be detected with high resolution even in a low vacuum.
本発明は、1次電子をサンプルに照射し、該サンプルから放出された2次電子を検出してサンプルの2次電子画像を生成する走査型電子顕微鏡において、1次電子を生成して加速する1次電子照射系と、1次電子照射系で生成された1次電子を偏向する第1偏向装置と、第1偏向装置で偏向された1次電子を逆方向に偏向して収差をキャンセルし、結像系の軸に一致させてサンプルに照射させると共に、サンプルから放出された2次電子を1次電子と逆方向に偏向して分離する、磁界と電界で構成される第2偏向装置と、第2偏向装置で偏向されて結像系の軸に一致させた後の1次電子を細く絞ってサンプルに照射すると共に、サンプルから放出された2次電子を第2偏向装置に入射させる対物レンズからなる結像系と、第2偏向装置で偏向された後の2次電子を検出する2次電子検出系とを備えるようにしている。 The present invention generates and accelerates primary electrons in a scanning electron microscope that irradiates a sample with primary electrons, detects the secondary electrons emitted from the sample, and generates a secondary electron image of the sample. The primary electron irradiation system, the first deflection device that deflects the primary electrons generated by the primary electron irradiation system, and the primary electrons deflected by the first deflection device are deflected in the opposite directions to cancel the aberration. , A second deflector composed of a magnetic field and an electric field that irradiates the sample in line with the axis of the imaging system and deflects the secondary electrons emitted from the sample in the opposite direction to the primary electrons to separate them. , An objective in which the primary electrons after being deflected by the second deflector and aligned with the axis of the imaging system are finely squeezed to irradiate the sample, and the secondary electrons emitted from the sample are incident on the second deflector. An imaging system composed of a lens and a secondary electron detection system for detecting secondary electrons after being deflected by the second deflection device are provided.
この際、第2偏向装置で偏向して分離された2次電子を、第2偏向装置の偏向方向と逆方向に偏向して収差をキャンセルする第3偏向装置を設け、第3偏向装置で偏向して収差をキャンセルした後の2次電子を検出する2次電子検出系とを備えるようにする。 At this time, a third deflector is provided which cancels the aberration by deflecting the secondary electrons deflected and separated by the second deflector in the direction opposite to the deflection direction of the second deflector, and deflects by the third deflector. A secondary electron detection system for detecting secondary electrons after canceling the aberration is provided.
また、第1偏向装置および第3偏向装置は、磁界あるいは電界あるいは磁界と電界の4極以上を有する偏向装置とするようにしている。 Further, the first deflection device and the third deflection device are set to be a deflection device having four or more poles of a magnetic field or an electric field or a magnetic field and an electric field.
また、第2偏向装置は、磁界の2極あるいは磁界と電界の各4極以上を有し、1次電子の進行方向と逆方向の2次電子を分離するようにしている。 Further, the second deflector has two poles of a magnetic field or four or more poles of a magnetic field and an electric field, and separates secondary electrons in a direction opposite to the traveling direction of the primary electrons.
また、サンプルと対物レンズの先端部分との間にリターディング電圧を印加し、サンプルに低加速電圧の1次電子にして照射するようにしている。 Further, a retarding voltage is applied between the sample and the tip portion of the objective lens so that the sample is irradiated with primary electrons having a low acceleration voltage.
また、対物レンズの部分に隔膜を設けて、隔膜を境にサンプル側を低真空、反対側を高真空に保持するようにしている。 Further, a diaphragm is provided on the objective lens portion so that the sample side is held in a low vacuum and the opposite side is held in a high vacuum with the diaphragm as a boundary.
本発明は、第1偏向装置、第2偏向装置、第3偏向装置で発生する偏向収差をお互いにキャンセルして低減することで、1次電子ビームをより小さなビームに絞り、サンプル表面で発生する2次電子を高い空間分解能で検出できる。 The present invention narrows the primary electron beam to a smaller beam and generates it on the sample surface by canceling and reducing the deflection aberrations generated by the first deflector, the second deflector, and the third deflector. Secondary electrons can be detected with high spatial resolution.
また、低真空中における高分解能の電子ビーム検査装置を実現できる。 In addition, a high-resolution electron beam inspection device in a low vacuum can be realized.
本発明は、第1、第2、第3の偏向装置で発生する偏向収差をお互いにキャンセルして低減して1次電子ビームをより小さなビームに絞り、サンプル表面で発生した2次電子を高い空間分解能で検出すると共に、リターディング電圧を印加して低エネルギー電子ビームかつ高分解能で検出可能、更に、低真空中でも高分解能で検出可能にすることを実現した。 The present invention cancels and reduces the deflection aberrations generated by the first, second, and third deflectors to narrow the primary electron beam to a smaller beam, and raises the secondary electrons generated on the sample surface. In addition to detecting with spatial resolution, it is possible to detect with a low energy electron beam and high resolution by applying a retarding voltage, and further, it is possible to detect with high resolution even in a low vacuum.
図1は、本発明の原理構成図を示す。 FIG. 1 shows a structural diagram of the principle of the present invention.
図1において、1次電子1は、照射系で発生された1次電子である。 In FIG. 1, the primary electron 1 is a primary electron generated in the irradiation system.
2次電子2は、1次電子を細く絞ってサンプル8に照射し、放出された2次電子である。 The secondary electrons 2 are secondary electrons emitted by finely squeezing the primary electrons and irradiating the sample 8.
ビームスプリッタ3は、1次電子1をサンプル8に照射し、サンプル8から放出されt2次電子2を1次電子1から分離するものであって、第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6から構成されるものである。 The beam splitter 3 irradiates the sample 8 with the primary electron 1 and separates the tsecondary electron 2 emitted from the sample 8 from the primary electron 1. It is composed of a third deflection device 6.
第1偏向装置4は、1次電子1を偏向するものであって、磁界、電界、あるいは磁界と電界で構成される4極以上の偏向装置である。 The first deflection device 4 deflects the primary electron 1 and is a deflection device having four or more poles composed of a magnetic field, an electric field, or a magnetic field and an electric field.
第2偏向装置5は、1次電子1と、走行方向が逆の2次電子2とを分離するものであって、少なくとも磁界あるいは磁界と電界の両者で構成され、各4極以上の偏向装置である。 The second deflection device 5 separates the primary electrons 1 and the secondary electrons 2 having opposite traveling directions, and is composed of at least a magnetic field or both a magnetic field and an electric field, and is a deflection device having four or more poles each. Is.
第3偏向装置6は、第1偏向装置と同様のものであり、2次電子を偏向するものであって、磁界、電界、あるいは磁界と電界で構成される4極以上の偏向装置である。 The third deflector 6 is the same as the first deflector, which deflects secondary electrons, and is a magnetic field, an electric field, or a deflector having four or more poles composed of a magnetic field and an electric field.
対物レンズ7は、結像系を構成するものであって、1次電子1を細く絞ってサンプル8に照射し、放出された2次電子を第2偏向装置5に入射させるものである。 The objective lens 7 constitutes an imaging system, in which the primary electrons 1 are finely focused and irradiated to the sample 8, and the emitted secondary electrons are incident on the second deflection device 5.
サンプル8は、細く絞った1次電子1を照射し、2次電子2を放出させて、高分解能の2次電子像を生成する対象のサンプルであって、例えばマスク、ウェハ上のパターンなどである。 Sample 8 is a sample to be irradiated with finely squeezed primary electrons 1 and emitted secondary electrons 2 to generate a high-resolution secondary electron image, for example, with a mask, a pattern on a wafer, or the like. is there.
次に、図1の構成の動作を説明する。 Next, the operation of the configuration of FIG. 1 will be described.
(1)1次電子1をビームスプリッタ3を構成する第1偏向装置1に入射し、図に示すように進行方向に向かって左方向に、磁界、電界、あるいは磁界と電界の作用により偏向させる。 (1) The primary electron 1 is incident on the first deflector 1 constituting the beam splitter 3 and deflected to the left in the traveling direction by a magnetic field, an electric field, or the action of a magnetic field and an electric field as shown in the figure. ..
(2)(1)で偏向されて第2偏向装置5に入射した1次電子1は、該第2偏向装置5により進行方向に向かって右方向に、磁界あるいは磁界と電界の両者の作用により偏向され、結果として、第1偏向装置の偏向方向と第2偏向装置の偏向方向とが逆であって、偏向収差をキャンセルした後、対物レンズ7の軸上にくるようにする。 (2) The primary electron 1 deflected in (1) and incident on the second deflecting device 5 is moved to the right by the second deflecting device 5 in the traveling direction due to the action of a magnetic field or both a magnetic field and an electric field. It is deflected, and as a result, the deflection direction of the first deflector and the deflection direction of the second deflector are opposite to each other, and after canceling the deflection aberration, the objective lens 7 is brought on the axis.
(3)(2)で対物レンズ7の軸上に偏向された1次電子1は、当該対物レンズ7で細く絞られてサンプル8を照射すると共に、図示外の2段偏向系でX,Y方向に走査される。そして、2次電子2をサンプル8から放出する。 (3) The primary electrons 1 deflected on the axis of the objective lens 7 in (2) are finely focused by the objective lens 7 to irradiate the sample 8 and X, Y in a two-stage deflection system (not shown). Scanned in the direction. Then, the secondary electrons 2 are emitted from the sample 8.
(4)(3)で放出された2次電子2は対物レンズ7の軸上を上方向に走行し、第2偏向装置5に入射し、磁界と電界の作用により、1次電子1とは反対の図示の走行方向に偏向される。 (4) The secondary electrons 2 emitted in (3) travel upward on the axis of the objective lens 7, enter the second deflection device 5, and become the primary electrons 1 due to the action of the magnetic field and the electric field. It is deflected in the opposite direction of travel shown.
(5)(4)で進行方向の右方向に偏向された2次電子は、第3偏向装置6に入射し、図に示すように、進行方向の左方向に偏向され、結果として第2偏向装置の偏向と第3偏向装置の偏向方向が逆方向であって、偏向収差をキャンセルした後、2次電子検出系の軸上を上方向に走行する。 (5) The secondary electrons deflected to the right in the traveling direction in (4) enter the third deflection device 6 and are deflected to the left in the traveling direction as shown in the figure, resulting in the second deflection. The deflection of the device and the deflection direction of the third deflection device are opposite directions, and after canceling the deflection aberration, the particles travel upward on the axis of the secondary electron detection system.
以上のように、1次電子1は第1偏向装置4と第2偏向装置5、2次電子は第2偏向装置5と第3偏向装置6とによって偏向収差をそれぞれキャンセルするので、偏向収差を低減してより細く絞った1次電子をサンプル8に照射することで高分解能の2次電子画像を生成することを実現し、かつ放出された2次電子も、第2偏向装置5と第3偏向装置6とによって偏向収差をそれぞれキャンセルするので、偏向収差を低減して2次電子を1次電子から分離し、かつ高感度、高分解能で2次電子を検出することが可能となった。以下順次詳細に説明する。 As described above, the primary electrons 1 are canceled by the first deflection device 4 and the second deflection device 5, and the secondary electrons are canceled by the second deflection device 5 and the third deflection device 6, respectively. By irradiating the sample 8 with primary electrons that have been reduced and narrowed down, it is possible to generate a high-resolution secondary electron image, and the emitted secondary electrons are also the second deflector 5 and the third. Since the deflection aberration is canceled by the deflection device 6, it is possible to reduce the deflection aberration, separate the secondary electrons from the primary electrons, and detect the secondary electrons with high sensitivity and high resolution. The details will be described below in order.
次に、図1の構成の動作説明する。 Next, the operation of the configuration of FIG. 1 will be described.
(1)第1偏向装置4を通過した1次電子1は内側に偏向される。1次電子1は1エレクトロンボルト程度の電子エネルギー分散があるので、偏向量はエネルギー依存性があり、1次電子のビームが虹のように分散し空間的に膨らむ。 (1) The primary electron 1 that has passed through the first deflection device 4 is deflected inward. Since the primary electron 1 has an electron energy dispersion of about 1 electron volt, the amount of deflection is energy-dependent, and the beam of the primary electron is dispersed like a rainbow and swells spatially.
(2)第2偏向装置5では第1の偏向装置とは全く同じ量逆方向に1次電子1を偏向する。全く同じ量だけ逆方向に偏向するため虹のように分散した1次電子軌道は再び1つの軌道に収束する。 (2) The second deflection device 5 deflects the primary electron 1 in the opposite direction by exactly the same amount as that of the first deflection device. Since it is deflected in the opposite direction by exactly the same amount, the primary electron orbitals dispersed like a rainbow converge to one orbital again.
以上のようにお互いに全く逆方向に偏向する必要があるため全く同じ特性を有する偏向装置(磁界、電界、磁界と電界)を用いてお互いに逆方向に偏向すると最も良い結果が得られる。第1偏向装置4で分散した1次電子は第2偏向装置5を通過するとともに逆分散作用によりもとの分散の無い1次電子のビーム状態に戻る。このとき、第1偏向装置4と第2偏向装置5の作用により1次電子は最初の軸から所定距離だけ内側にシフトした状態になる。この状態で対物レンズ7に入射し対物レンズ7で絞られてサンプル8の表面に照射される。これにより、1次電子1の分散が小さくなり対物レンズ7における収差が小さくできるので1次電子を小さなスポットに絞ることが出来る。 Since it is necessary to deflect in completely opposite directions as described above, the best results can be obtained by deflecting in opposite directions using a deflecting device (magnetic field, electric field, magnetic field and electric field) having exactly the same characteristics. The primary electrons dispersed in the first deflector 4 pass through the second deflector 5 and return to the original beam state of the primary electrons without dispersion due to the dedispersion action. At this time, due to the action of the first deflection device 4 and the second deflection device 5, the primary electrons are shifted inward by a predetermined distance from the first axis. In this state, it enters the objective lens 7, is focused by the objective lens 7, and irradiates the surface of the sample 8. As a result, the dispersion of the primary electrons 1 is reduced and the aberration in the objective lens 7 can be reduced, so that the primary electrons can be narrowed down to a small spot.
偏向装置は一種の演算装置と考えることが出来る。1回目に加えた演算(F(x))と全く逆の演算F-1(x)を行うことにより電子ビーム偏向に伴なって発生する色々な収差をキャンセルする原理である。ただしこの演算には不思議な性質があり、逆演算を行うと電子ビームは元の軌道に戻らずに座標系の水平シフトが起こるために、電子ビームの走行を変化させることが出来る。これは、最初の演算から時間が経ってから逆演算を行うことによる。この原理からは、第1の偏向装置と第2あるいは第3の偏向装置の特性が全く同じで作用が逆であることが望ましい。 The deflection device can be thought of as a kind of arithmetic unit. This is the principle of canceling various aberrations caused by electron beam deflection by performing the operation F-1 (x), which is completely opposite to the operation (F (x)) applied the first time. However, this calculation has a mysterious property, and when the inverse calculation is performed, the electron beam does not return to the original orbit and a horizontal shift of the coordinate system occurs, so that the traveling of the electron beam can be changed. This is because the inverse operation is performed after a lapse of time from the first operation. From this principle, it is desirable that the characteristics of the first deflector and the second or third deflector are exactly the same and the operations are opposite.
(3)サンプル8の表面では照射された1次電子1に刺激されて2次電子2が発生しサンプル8と対物レンズ7の間に印可された図示外の電圧(リターディング電圧)によって加速され2次電子2となって対物レンズ7に向かって進行する。対物レンズ7を通過した2次電子は第2偏向装置6によって1次電子1とは逆方向に偏向される。 (3) On the surface of the sample 8, secondary electrons 2 are generated by being stimulated by the irradiated primary electrons 1, and are accelerated by a voltage (returning voltage) (not shown) applied between the sample 8 and the objective lens 7. It becomes secondary electrons 2 and travels toward the objective lens 7. The secondary electrons that have passed through the objective lens 7 are deflected in the direction opposite to that of the primary electrons 1 by the second deflector 6.
(4)偏向された2次電子2はエネルギーに依存した偏向が行われて分散が起こるが、第3偏向装置6によって逆方向に偏向することで逆分散が起こり、元の分散の無い2次電子2に戻る。 (4) The deflected secondary electrons 2 are deflected depending on energy to cause dispersion, but the backscattering occurs by deflecting in the opposite direction by the third deflector 6, and the original secondary without dispersion is present. Return to electron 2.
以上のように、本発明の第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6からなるビームスプリッタ3をを利用すると1次電子1あるいは2次電子2にエネルギー分散があっても偏向時に新たに色収差を加えることなく、1次電子と2次電子を分離することが可能となる。これにより写像2次電子の像分解能が格段に向上する。 As described above, when the beam splitter 3 including the first deflection device 4, the second deflection device 5, and the third deflection device 6 of the present invention is used, even if the primary electrons 1 or the secondary electrons 2 have energy dispersion. It is possible to separate the primary electrons and the secondary electrons without adding new chromatic aberration at the time of deflection. As a result, the image resolution of the secondary electrons in the mapping is significantly improved.
これにより、本発明では、電磁偏向が90度以上に偏向が可能なので1次電子が来る方向とほぼ同じ逆の方向に2次電子を送り返すことが出来るため、従来の装置のように1次電子用のコラムと2次電子用のコラムが左右に開いた大きな装置にすることなく、同じ方向を向いたように設置可能で電子ビーム装置全体をコンパクトにすることが出来る。このように本発明は並立したコラム、かつコンパクトなので、2つのコラムを1つのコラムのように実装することも出来る。 As a result, in the present invention, since the electromagnetic deflection can be deflected to 90 degrees or more, the secondary electrons can be sent back in the direction substantially the same as the direction in which the primary electrons come, so that the primary electrons can be sent back as in a conventional device. The column for secondary electrons and the column for secondary electrons can be installed so as to face the same direction without making a large device that opens to the left and right, and the entire electron beam device can be made compact. As described above, since the present invention is parallel columns and compact, it is possible to implement two columns as if they were one column.
図2は、本発明の1実施例構成図を示す。これは、図1の原理構成を実際の装置に組み込んだ模式図を示す。ここで、1次電子1、2次電子2、第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6、対物レンズ7、サンプル8は図1の同一番号と同じであるので説明を省略する。 FIG. 2 shows a configuration diagram of an embodiment of the present invention. This shows a schematic diagram in which the principle configuration of FIG. 1 is incorporated into an actual device. Here, the primary electrons 1, the secondary electrons 2, the first deflector 4, the second deflector 5, the third deflector 6, the objective lens 7, and the sample 8 have the same numbers as those in FIG. Omitted.
図2において、絞り9は、第1偏向装置4で偏向された1次電子1を通過させる開口と、第2偏向装置5で偏向された2次電子2を通過させる開口とを模式的に示したものである。 In FIG. 2, the diaphragm 9 schematically shows an opening through which the primary electrons 1 deflected by the first deflection device 4 pass and an opening through which the secondary electrons 2 deflected by the second deflection device 5 pass. It is a thing.
スペーサ5−1は、第2偏向装置5を対物レンズ7に固定するスペーサである。 The spacer 5-1 is a spacer that fixes the second deflection device 5 to the objective lens 7.
コイル7−1は、対物レンズ7を励磁する電流を流すコイルである。 The coil 7-1 is a coil through which a current that excites the objective lens 7 is passed.
V1,V2は、サンプル8との間に印加する電圧であって、リターディング電圧であり、1次電子1の電位を低くして低加速電圧の1次電子をサンプル8に照射すると共に、サンプル8から放出された2次電子2を加速して上方向に走行させるものである。 V1 and V2 are voltages applied between the sample 8 and the sample 8, and are retarding voltages. The potential of the primary electrons 1 is lowered to irradiate the sample 8 with primary electrons having a low acceleration voltage, and the sample 8 is irradiated with the primary electrons. The secondary electrons 2 emitted from 8 are accelerated and traveled upward.
次に、図2の構成の動作を説明する。 Next, the operation of the configuration of FIG. 2 will be described.
(1)電子銃で発生した1次電子1は第1偏向装置4にて内側に偏向される。ついで第2偏向装置5で逆方向に曲げられ電子銃から放出された1次電子の軌道と平行に成るように調整される。この状態で図示外のアライメントレンズあるいはメカニカルなアライメント機構などを用いて対物レンズ7の中心(軸)に入射するように調整する。対物レンズ7は純鉄、パーマロイやバーメンジュール等高透磁率材料から出来たポールピースを所望の漏れ磁場が生じるように適切な形に成形した部材にポリウレタン等の被覆を行った銅線などを巻き付けてコイルを形成したものである。漏れ磁場の発生するポールピース先端部の切れ目の場所が最大の磁場密度を示す場所であり電磁レンズとして機能する。もちろん対物レンズ7は小型化や省エネルギーのために必要に応じて永久磁石で構成しても良い。電磁レンズの場合は発熱するので冷却水を流すなどして温度を一定に保つ。偏向装置も電磁式の場合には発熱があるので、偏向量を一定に保つために冷却して室温付近の一定の温度に管理することが望ましい。対物レンズ7の上部に電磁コイル7−1からなる電磁偏向装置を設けるが偏向装置の磁場が対物レンズ7に漏れないようにシールド効果を持たせるために装置間には隙間を設けることが望ましい。 (1) The primary electron 1 generated by the electron gun is deflected inward by the first deflector 4. Then, it is bent in the opposite direction by the second deflection device 5 and adjusted so as to be parallel to the orbit of the primary electron emitted from the electron gun. In this state, an alignment lens (not shown) or a mechanical alignment mechanism is used to adjust the lens 7 so that it is incident on the center (axis) of the objective lens 7. The objective lens 7 is made of a pole piece made of a high magnetic permeability material such as pure iron, permalloy, vermenzur, etc., and a copper wire or the like coated with polyurethane or the like on a member formed into an appropriate shape so as to generate a desired leakage magnetic field. It is wound to form a coil. The location of the cut at the tip of the pole piece where the leakage magnetic field is generated is the location where the maximum magnetic field density is exhibited, and functions as an electromagnetic lens. Of course, the objective lens 7 may be made of a permanent magnet as needed for miniaturization and energy saving. In the case of an electromagnetic lens, heat is generated, so keep the temperature constant by running cooling water. If the deflector is also an electromagnetic type, it generates heat, so it is desirable to cool it and control it to a constant temperature near room temperature in order to keep the amount of deflection constant. An electromagnetic deflection device composed of an electromagnetic coil 7-1 is provided above the objective lens 7, but it is desirable to provide a gap between the devices in order to have a shielding effect so that the magnetic field of the deflection device does not leak to the objective lens 7.
(2)電磁偏向を受けた1次電子が対物レンズ7の中心(軸)を通過できるように電磁偏向装置と対物レンズ7の間にはアライメント用のコイルあるいは電極が存在する。もちろんその制御装置も存在する。対物レンズ7を通過した1次電子は対物レンズ7の磁場によって収束されサンプル8の表面にてnmオーダーのスポットを形成する。 (2) An alignment coil or electrode exists between the electromagnetic deflector and the objective lens 7 so that the primary electrons subjected to the electromagnetic deflection can pass through the center (axis) of the objective lens 7. Of course, the control device also exists. The primary electrons that have passed through the objective lens 7 are converged by the magnetic field of the objective lens 7 to form a spot on the order of nm on the surface of the sample 8.
(3)1次電子1の照射の刺激によりサンプル8で発生した2次電子2はサンプル8と対物レンズ7との間に加えられた加速電場(リターディング電圧V1,V2)の力を受けて垂直方向に上昇し対物レンズ7により一旦収束されたのち発散しながら第2偏向装置5にて1次電子1とは反対方向に偏向される。 (3) The secondary electrons 2 generated in the sample 8 by the stimulation of the irradiation of the primary electrons 1 receive the force of the accelerating electric field (retarding voltage V1 and V2) applied between the sample 8 and the objective lens 7. It rises in the vertical direction, is once converged by the objective lens 7, and then diverges while being deflected in the direction opposite to that of the primary electrons 1 by the second deflector 5.
(4)偏向された2次電子2は次いで第3偏向装置6により逆方向に偏向されて垂直方向に上昇し、結果として2次電子の方向が右方向へとシフトが実現される。2次電子2は検出器の表面にて結像しサンプル8の表面の2次電子像が得られる。尚、実施例では1次電子と2次電子が平行になるような偏向量の場合を示したが、ビームのシフト量は任意であり装置の構成方法によって最適化することが出来る。 (4) The deflected secondary electrons 2 are then deflected in the opposite direction by the third deflector 6 and rise in the vertical direction, and as a result, the direction of the secondary electrons is shifted to the right. The secondary electrons 2 are imaged on the surface of the detector to obtain a secondary electron image on the surface of the sample 8. In the embodiment, the case where the primary electrons and the secondary electrons are parallel to each other is shown, but the shift amount of the beam is arbitrary and can be optimized by the configuration method of the apparatus.
図3は、本発明の詳細説明図(電子源)を示す。 FIG. 3 shows a detailed explanatory view (electron source) of the present invention.
図3の(a)は通常のTFE例を示す。 FIG. 3A shows an example of normal TFE.
図3の(a)において、エミッター31は、電子を放出するものである。エミッター31としては、タングステン、モリブデン、LaB6のような低仕事関数の材料、金属酸化物等を用いたサーマルエミッターやWチップにZrO拡散を用いて仕事関数を下げた熱電場型エミッタ(TFE)あるいは室温近傍でエミッタ先端を尖らして高い電場を印加することで電子ビームを得るコールドフィールドエミッターあるいは最近ではMEMS(半導体微細加工技術)を用いたコールドフィールドエミッターあるいはアレイ、コヒーレントあるいはパルスレーザー等光で電子を励起するフォトカソードなどがある。 In FIG. 3A, the emitter 31 emits an electron. Examples of the emitter 31 include a thermal emitter using a material having a low work function such as tungsten, molybdenum, and LaB6, a metal oxide, and a thermoelectric field type emitter (TFE) in which the work function is lowered by using ZrO diffusion on a W chip. A cold field emitter that obtains an electron beam by sharpening the tip of the emitter near room temperature and applying a high electric field, or recently a cold field emitter or array using MEMS (semiconductor micromachining technology), coherent or pulsed laser, etc. There are photocathodes that excite.
エクストラクター32は、エミッタ31と該エクストラクタ32との間に電圧を印加し、印加電圧で発生する強力な電場によって電子ビームを引き出すものである。 The extractor 32 applies a voltage between the emitter 31 and the extractor 32, and draws an electron beam by a strong electric field generated by the applied voltage.
加速電極33は、エクストラクタ32で引き出された1次電子を、所望加速電圧に印加する電圧を印加するものである。 The acceleration electrode 33 applies a voltage that applies the primary electrons extracted by the extractor 32 to a desired acceleration voltage.
レンズ34は、加速電極33で加速された1次電子を収束するものである。 The lens 34 converges the primary electrons accelerated by the accelerating electrode 33.
対物アパチャー35は、該対物レンズアパチャー35を通過した1次電子のみを図示外の対物レンズ8に入射し、細く絞ってサンプル8の上に照射させるものである。 The objective aperture 35 is for injecting only the primary electrons that have passed through the objective lens aperture 35 into the objective lens 8 (not shown), narrowing it down finely, and irradiating it on the sample 8.
次に、図3の(a)の構成を説明する。 Next, the configuration of FIG. 3A will be described.
(1)図3の(a)はエミッター31から1つの1次電子のビームを放射させ、1つの穴を有する対物アパチャー35で1つの1次電子のビームを、図示外の対物レンズ7で細く絞ってサンプル8の上に照射するものである。 (1) In FIG. 3A, a beam of one primary electron is emitted from an emitter 31, and an objective aperture 35 having one hole narrows the beam of one primary electron with an objective lens 7 (not shown). It is squeezed and irradiated on the sample 8.
図3の(b)は、マルチビーム例を示す。この図3の(b)中のエミッター31、エクストラクタ32、加速電極33、レンズ34は、図3の(a)と同一であるので説明を省略する。 FIG. 3B shows an example of multi-beam. The emitter 31, extractor 32, acceleration electrode 33, and lens 34 in FIG. 3B are the same as those in FIG. 3A, and thus the description thereof will be omitted.
図3の(b)において、対物アパチャー35は、複数の穴を有する対物アパチャーであって、該穴に対応した複数の1次電子のビームを形成するものである。穴の直径は数ミクロンから数十ミクロン程度である。 In FIG. 3B, the objective aperture 35 is an objective aperture having a plurality of holes, and forms a beam of a plurality of primary electrons corresponding to the holes. The diameter of the hole is on the order of a few microns to a few tens of microns.
次に、図3の(b)の構成を説明する。 Next, the configuration of FIG. 3B will be described.
(1)図3の(b)はエミッター31が1つの1次電子のビームを放射させ、複数の穴を有する対物アパチャー35で複数の1次電子のビームを形成し、図示外の対物レンズ7で細く絞ってサンプル8の上にそれぞれ照射する。 (1) In FIG. 3B, the emitter 31 radiates a beam of one primary electron, and an objective aperture 35 having a plurality of holes forms a beam of a plurality of primary electrons, and an objective lens 7 (not shown) is shown. Squeeze it finely with and irradiate the sample 8 with each other.
図3の(c)は、マルチエミッター例を示す。 FIG. 3C shows an example of a multi-emitter.
図3の(c)において、エミッター31−1は、複数のエミッタを有するものである。 In FIG. 3C, the emitter 31-1 has a plurality of emitters.
エクストラクタ32−1は、エミッタ31−1に対応した数のエクストラクタを有するものである。 The extractor 32-1 has a number of extractors corresponding to the emitter 31-1.
加速電極33−3は、エミッタ31−1に対応した数の加速電極を有するものである。 The accelerating electrode 33-3 has a number of accelerating electrodes corresponding to the emitters 31-1.
レンズ34−1は、エミッタ31−1に対応した数のレンズ(収束レンズ)を有するものある。 The lens 34-1 has a number of lenses (condensing lenses) corresponding to the emitter 31-1.
対物アパチャー35−1は、エミッタ31−1に対応した数の穴を有するものである。 The objective aperture 35-1 has a number of holes corresponding to the emitter 31-1.
次に、図3の(c)の構成を説明する。 Next, the configuration of FIG. 3C will be described.
(1)図3の(c)は複数のエミッター31−1が複数の1次電子のビームを放射させ、複数の穴を有する対物アパチャー35で複数の1次電子のビームを形成し、図示外の対物レンズ7で細く絞ってサンプル8の上にそれぞれ照射する。これにより、複数のエミッタから放出された複数の1次電子のビームが細く絞られてサンプル8の上にそれぞれ照射されることとなる。 (1) In FIG. 3C, a plurality of emitters 31-1 radiate a beam of a plurality of primary electrons, and an objective aperture 35 having a plurality of holes forms a beam of a plurality of primary electrons, which is not shown. It is finely squeezed with the objective lens 7 of No. As a result, the beams of the plurality of primary electrons emitted from the plurality of emitters are finely focused and irradiated onto the sample 8.
(2)そのため、図3の(c)では、半導体微細製造技術(MEMS技術)を用いて作られた小さなマルチビーム電子銃用のエミッタのアレイを利用する。コールドフィールドエミッターはエミッタとエクストラクタ間に生じる高い電場を利用してトンネル効果を生じさせ常温で電子を放出させるものである。コールドフィールドエミッターを利用する場合はエミッタ電流を安定化するために超高真空あるいは極高真空を用いることが望ましい。エミッターアレイサイズは自由に変えることが出来る。用途に応じて数平方mm以下から数平方メートル以上と自由に作れる。シリコンやプラスチック等の曲面上に作ることも出来る。従って、検査速度を決定する総電流量はマイクロアンペアーからアンペアオーダーまで自由に作ることが出来る。 (2) Therefore, in FIG. 3C, an array of emitters for a small multi-beam electron gun made by using semiconductor micromanufacturing technology (MEMS technology) is used. A cold-field emitter uses a high electric field generated between an emitter and an extractor to create a tunnel effect and emit electrons at room temperature. When using a cold field emitter, it is desirable to use an ultra-high vacuum or an ultra-high vacuum to stabilize the emitter current. The size of the emitter array can be changed freely. It can be freely made from a few square meters or less to a few square meters or more depending on the application. It can also be made on a curved surface such as silicon or plastic. Therefore, the total amount of current that determines the inspection speed can be freely set from micro ampere to ampere order.
(3)MEMS技術を用いれば先端曲率半径が数10nmのエミッターレイを容易に作成可能である。エミッターはシリコン、W、Mo、CNT、ダイヤモンドなど現在知られている材料を使用することが出来る。 (3) If the MEMS technique is used, an emitter ray having a tip radius of curvature of several tens of nm can be easily produced. Currently known materials such as silicon, W, Mo, CNT, and diamond can be used as the emitter.
エミッター先端とエクストラクターの距離をミクロンオーダーにすることで高々10ボルト程度の非常に低い電圧印可、しかも常温で電子ビームを放出させることが出来る。原理的には従来のコールドフィールドエミッターと同じなので放出された電子ビームのエネルギー幅は0.3エレクトロンボルトと狭くビームを細く絞るのに都合が良い。半導体技術で作られるのでそれぞれのエミッターの特性が非常に良く揃っている。ビームの幅は放出される面積により数ミクロンから数mmまでかなり広い範囲を取ることが出来る。 By setting the distance between the tip of the emitter and the extractor to the order of microns, a very low voltage of about 10 volts can be applied, and an electron beam can be emitted at room temperature. In principle, it is the same as a conventional cold field emitter, so the energy width of the emitted electron beam is as narrow as 0.3 electron volt, which is convenient for narrowing the beam. Since it is made by semiconductor technology, the characteristics of each emitter are very well aligned. The width of the beam can range from a few microns to a few millimeters, depending on the area of emission.
(4)また、ビーム1本あたり1マイクロアンペアー以下の低い放出電流で運用した場合1年を超える寿命が容易に得られる。各電子ビームは独立した点光源として機能するので、お互いに干渉することなく非常に均一な電流値を持つマルチビームが得られる。電流値は1つの電子源を分割して得た場合とは大きく異なり1つのビーム当たり1ナノアンペアーを容易に超えることが可能でビーム本数を増加することで総電流量を際限なく増加出来る。例えば1万本のビームを使えば総電流は10μAにもなり、従来では考えられない非常に高速な電子ビーム検査装置を作ることが出来る。 (4) Further, when operated with a low emission current of 1 microamper or less per beam, a life of more than 1 year can be easily obtained. Since each electron beam functions as an independent point light source, a multi-beam having a very uniform current value can be obtained without interfering with each other. The current value is significantly different from the case where one electron source is divided and can easily exceed 1 nanometer per beam, and the total current amount can be increased endlessly by increasing the number of beams. For example, if 10,000 beams are used, the total current will be as high as 10 μA, and it is possible to make an extremely high-speed electron beam inspection device that was unthinkable in the past.
(5)エクストラクターやアノード、電子ビームを平行化するためのレンズは静電レンズなどをMEMS技術で電子銃内に作り込むことも出来る。 (5) As for the lens for parallelizing the extractor, anode, and electron beam, an electrostatic lens or the like can be built in the electron gun by MEMS technology.
図4は、本発明の詳細説明図(2次電子検出装置)を示す。 FIG. 4 shows a detailed explanatory view (secondary electron detection device) of the present invention.
図4の(a)は、1つの2次電子検出装置の場合を示す。この図4の(a)は、サンプル8の表面で発生した2次電子を加速してエネルギーが一定のビーム状にした後にレンズを用いて1点に集中させ、その場所に電子検出装置を配置した例を示す。 FIG. 4A shows the case of one secondary electron detection device. In FIG. 4A, secondary electrons generated on the surface of sample 8 are accelerated to form a beam having a constant energy, then concentrated at one point using a lens, and an electron detection device is placed at that location. An example of this is shown.
次に、特徴を説明する。 Next, the features will be described.
(1)この図4の(a)は、元の電子ビームの断面積よりもずっと小さな面積を有する検出器が利用可能なため、検出器の電気容量を小さく保つことが可能で超高速の検出が出来る。入射してくるエネルギーによって検出効率が変化するので、変化を避ける場合は、2次電子発生時に十分に加速を行い、2次電子エネルギー分布が感度に効かないようにすると良い。 (1) In FIG. 4A, since a detector having an area much smaller than the cross-sectional area of the original electron beam can be used, the electric capacity of the detector can be kept small and ultra-high-speed detection can be performed. Can be done. Since the detection efficiency changes depending on the incident energy, when avoiding the change, it is preferable to accelerate sufficiently when the secondary electrons are generated so that the secondary electron energy distribution does not affect the sensitivity.
(2)また、2次電子のエネルギーの違いによって焦点位置が変化することを利用して焦点位置とは異なる位置に電子検出装置を複数置くことにより、エネルギーを分離して検出することも出来る。これは、元素分析などに2次電子を使用する場合に相当する。エネルギーに対応して色を付けて表示すれば、サンプル8の表面の元素分布をカラー画像の色の変化として得ることが出来る。この場合は、検出する2次電子を検出器の直前で加速して電子検出器の感度を高くする。電子検出装置としてはフォトダイオードやアバランシェダイオード、MCP、フォトマル等が利用できる。 (2) Further, the energy can be separated and detected by placing a plurality of electron detection devices at positions different from the focal position by utilizing the fact that the focal position changes due to the difference in the energy of the secondary electrons. This corresponds to the case where secondary electrons are used for elemental analysis and the like. If the color is displayed according to the energy, the element distribution on the surface of the sample 8 can be obtained as a change in the color of the color image. In this case, the secondary electrons to be detected are accelerated immediately before the detector to increase the sensitivity of the electron detector. As the electron detection device, a photodiode, an avalanche diode, an MCP, a photomultiplier tube, or the like can be used.
図4の(b)は、複数の2次電子検出素子を有する2次電子検出装置の場合を示す。この図4の(b)は、マルチ電子ビーム検出に対応したものである。 FIG. 4B shows a case of a secondary electron detection device having a plurality of secondary electron detection elements. FIG. 4B (b) corresponds to multi-electron beam detection.
(1)マルチ電子ビームをサンプル8に照射することでサンプル8の表面から2次元的に同時発生した2次電子群はサンプル8と対物レンズ7間に加えられた電圧により加速されたのちレンズで収束されて図示のように2次元の2次電子像を形成する。これは明視野の光学顕微鏡と同じ原理である。従って原理的な分解能は利用している2次電子のビームの波長と開口率NAで凡そ決定される。 (1) By irradiating the sample 8 with a multi-electron beam, the secondary electron group generated two-dimensionally simultaneously from the surface of the sample 8 is accelerated by the voltage applied between the sample 8 and the objective lens 7, and then the lens is used. It is converged to form a two-dimensional secondary electron image as shown in the figure. This is the same principle as a bright-field optical microscope. Therefore, the principle resolution is roughly determined by the wavelength of the beam of secondary electrons used and the aperture ratio NA.
(2)焦点面にはサンプル8の表面の2次元の2次電子像が拡大して再現されるため平面上に並べられた複数の2次電子検出装置によってこの像の輝度あるいはコントラスト情報が検出される。2次電子検出装置としては2次電子が直接入射可能なように半導体表面の保護膜を除去加工されたフォトダイオードやアバランシェダイオード、MCP、MPPC、フォトマル、超高速のCCD,CMOS、TDI撮像素子等が利用できる。2次元撮像素子を利用した場合、画像取得速度を1つのデバイス当たりGピクセル毎秒よりも高くすることが出来る。最先端のデバイスで10Gピクセル毎秒を達成できる。取得された信号は直ちにデジタル信号に変換され画像処理用のコンピュータに送られる。通信手段は金属ワイヤをはじめ高速通信用の光ファイバーケーブルを利用出来る。AD変換装置により電子検出器で発生した電気信号はアナログ信号からデジタル信号に変換され、DRAM,SRAM、フラッシュメモリーあるいはHDDなどのメモリーに蓄積される。CPU,ASIC,FPGA、GPU等高速演算装置によりフィルター等画像処理が施されサンプル表面の情報がディスプレイ上に再現される。得られた画像は必要に応じて合成されて必要な大きさ、解像度の画像となる。得られた画像とCAD設計データあるいは近接する同じ形状を持つとされる画像を基準画像として比較して差異を検出することで高速検査を行うことが出来る。 (2) Since the two-dimensional secondary electron image of the surface of the sample 8 is enlarged and reproduced on the focal plane, the brightness or contrast information of this image is detected by a plurality of secondary electron detection devices arranged on a plane. Will be done. Secondary electron detectors include photodiodes, avalanche diodes, MCPs, MPPCs, photomultiplier tubes, ultra-high-speed CCDs, CMOS, and TDI image sensors that have been processed by removing the protective film on the semiconductor surface so that secondary electrons can be directly incident. Etc. can be used. When a two-dimensional image sensor is used, the image acquisition speed can be made higher than G pixels per second per device. A state-of-the-art device can achieve 10 Gpixels per second. The acquired signal is immediately converted into a digital signal and sent to a computer for image processing. As the communication means, an optical fiber cable for high-speed communication such as a metal wire can be used. The electric signal generated by the electronic detector by the AD conversion device is converted from an analog signal to a digital signal and stored in a memory such as a DRAM, SRAM, flash memory or HDD. Image processing such as a filter is performed by a high-speed arithmetic unit such as a CPU, ASIC, FPGA, and GPU, and information on the sample surface is reproduced on the display. The obtained image is combined as necessary to obtain an image of the required size and resolution. High-speed inspection can be performed by comparing the obtained image with CAD design data or images that are said to have the same shape in close proximity as a reference image and detecting the difference.
(3)通常のCDSEMと同じように得られた画像の各箇所の長さを測定することでCD測定を行うことが出来る。大画面高精細画像を高速に取り込むことが可能なので、取り込んだ画像の輪郭を抽出しフォトマスクの光学シミュレーションに利用することも出来る。 (3) CD measurement can be performed by measuring the length of each part of the obtained image in the same manner as a normal CDSEM. Since a large-screen high-definition image can be captured at high speed, the outline of the captured image can be extracted and used for optical simulation of a photomask.
図4の(c)は、2次元撮像素子からなる2次電子検出装置の場合を示す。この図4の(c)はマルチ電子ビーム検出などに対応したものである。 FIG. 4C shows the case of a secondary electron detection device including a two-dimensional image sensor. FIG. 4C of FIG. 4 corresponds to multi-electron beam detection and the like.
(1)この図4の(c)は一般の高速光検出素子を利用可能にしたもので、2次電子のビームをレンズで収束させて加速しシンチレータの表面に衝突させて電子を光に変換する。光に変換した2次電子像をフォトダイオードやアバランシェダイオード、MCP、MPPC、フォトマル、CCD、CもS、TDI撮像素子等を利用して検出する。シンチレータには応答速度がnsオーダーと高速な半導体シンチレータであるGaN系や無機材料あるいは有機材料、プラスチック系を用いると好適である。尚、シンチレータに大量の電子ビームが照射されると帯電してしまうため、帯電防止のために表面にnmオーダーのアルミなどの金属膜を蒸着してアースして用いる。シンチレータの発光波長と光検出器が最大感度を持つ波長を合わせると良い。 (1) FIG. 4 (c) of FIG. 4 enables a general high-speed photodetector to be used. The beam of secondary electrons is converged by a lens, accelerated, and collided with the surface of a scintillator to convert electrons into light. To do. The secondary electron image converted into light is detected by using a photodiode, an avalanche diode, MCP, MPPC, photomultiplier tube, CCD, C, S, TDI image sensor, or the like. As the scintillator, it is preferable to use a GaN-based scintillator, which is a semiconductor scintillator having a high response speed on the order of ns, an inorganic material, an organic material, or a plastic-based scintillator. When the scintillator is irradiated with a large amount of electron beams, it becomes charged. Therefore, in order to prevent static electricity, a metal film such as aluminum on the order of nm is vapor-deposited on the surface and grounded. It is advisable to match the emission wavelength of the scintillator with the wavelength at which the photodetector has the maximum sensitivity.
(2)2次元撮像素子のように画像蓄積を行って電子検出を行う場合は100ns程度の少しゆっくりした応答速度を持つシンチレータが使いやすい場合がある。 (2) When performing electron detection by accumulating images like a two-dimensional image sensor, a scintillator having a slightly slow response speed of about 100 ns may be easy to use.
図5は、本発明の装置例を示す。この図5はビームスプリッターを利用した電子ビーム式検査装置の外観を示す。 FIG. 5 shows an example of the device of the present invention. FIG. 5 shows the appearance of an electron beam type inspection device using a beam splitter.
図5において、電子銃41は、1次電子を放出するものである。 In FIG. 5, the electron gun 41 emits primary electrons.
ブランキング装置42は、電子銃41から放出された1次電子を、高速に遮断するものである。 The blanking device 42 blocks the primary electrons emitted from the electron gun 41 at high speed.
ブランキングアパチャー43は、ブランキング装置42で偏向された1次電子を遮断するアパチャーである。 The blanking aperture 43 is an aperture that blocks the primary electrons deflected by the blanking device 42.
対物アパチャー44は、1次電子の中心の部分を通過させ、対物レンズ48によって細く絞ってサンプルに照射するためのアパチャーである。 The objective aperture 44 is an aperture for passing the central portion of the primary electron, narrowing it down by the objective lens 48, and irradiating the sample.
第1偏向装置45は、既述した第1偏向装置4である。 The first deflection device 45 is the first deflection device 4 described above.
第2偏向装置46は、既述した第2偏向装置5である。 The second deflection device 46 is the second deflection device 5 described above.
第3偏向装置47は、既述した第3偏向装置6である。 The third deflection device 47 is the third deflection device 6 described above.
対物レンズ48は、1次電子を細く絞ってサンプルに照射するものである。 The objective lens 48 narrows down the primary electrons and irradiates the sample.
ミラー49は、レーザー光線を反射するミラーであって、XYZステージ51の位置を精密に測定するためのものである。 The mirror 49 is a mirror that reflects a laser beam, and is for precisely measuring the position of the XYZ stage 51.
偏向装置50は、細く絞った1次電子のビームをサンプル上に平面走査するものである。 The deflection device 50 scans a finely focused beam of primary electrons on a sample in a plane.
XYZステージ51は、サンプル(マスク、ウェハーなど)を裁置し、精密じX、Y、Zの方向に移動させるものである。 The XYZ stage 51 places a sample (mask, wafer, etc.) and moves it in the directions of X, Y, and Z precisely.
真空チャンバー52は、XYZステージ51などを真空中に収納する容器である。 The vacuum chamber 52 is a container for storing the XYZ stage 51 and the like in a vacuum.
真空ポンプ53は、真空チャンバー52の内部を真空に排気するポンプである。 The vacuum pump 53 is a pump that exhausts the inside of the vacuum chamber 52 into a vacuum.
電子検出装置54は、2次電子を検出する装置である。 The electron detection device 54 is a device that detects secondary electrons.
次に、構成を説明する。 Next, the configuration will be described.
(1)真空チャンバー52はドライポンプあるいはTMP等により通常マイナス4から5乗パスカル程度の高真空に維持されている。電子銃41は超高真空あるいは極高真空に保たれている。電子銃41で発生した1次電子は必要なエネルギーに成るように加速されレンズで並行ビームに成形される。成型された電子ビームはブランキング装置42およびブランキングアパチャー43を通過する。ブランキング装置42およびブランキングアパチャー43は1次電子のビームを高速にオンオフする機能を有しており、サンプルに1次電子のビームを照射するか否かを決定する。 (1) The vacuum chamber 52 is usually maintained at a high vacuum of about -4 to 5 Pascal by a dry pump, TMP, or the like. The electron gun 41 is kept in an ultra-high vacuum or an ultra-high vacuum. The primary electrons generated by the electron gun 41 are accelerated to the required energy and formed into a parallel beam by the lens. The molded electron beam passes through the blanking device 42 and the blanking aperture 43. The blanking device 42 and the blanking aperture 43 have a function of turning on and off the beam of primary electrons at high speed, and determine whether or not to irradiate the sample with the beam of primary electrons.
(2)1次電子のビーム源がマルチ電子ビームの場合は個別のビームをON/OFFする機能をブランキングアパチャー43のアレイに持たせることも出来る。1次電子のビームの全体をON/OFFするブランキングアパチャー43を別途有することも出来る。ブランキングアパチャー43を通過した1次電子のビームは照射電子ビームのサイズや形状を決定する対物アパチャー44に照射される。対物アパチャー44は数ミクロンから数百ミクロンの穴の大きさおよび間隔を有した主に厚み数十ミクロン程度の金属薄膜である。アパチャー材質はモリブデンやタングステンなどの高融点金属が利用される。これらアパチャーに正確に1次電子のビームを通過させるために電磁式あるいはメカニカル方式のビームアライメント手段が付属している。 (2) When the beam source of the primary electrons is a multi-electron beam, the array of the blanking aperture 43 can have a function of turning on / off individual beams. It is also possible to separately have a blanking aperture 43 that turns on / off the entire beam of primary electrons. The beam of primary electrons that has passed through the blanking aperture 43 is applied to the objective aperture 44 that determines the size and shape of the irradiated electron beam. The objective aperture 44 is a metal thin film having a hole size and spacing of several microns to several hundreds of microns, mainly having a thickness of several tens of microns. A refractory metal such as molybdenum or tungsten is used as the aperture material. Electromagnetic or mechanical beam alignment means are attached to these apertures to allow the beam of primary electrons to pass accurately.
(3)対物アパチャー44を通過した1次電子のビームは本発明のビームスプリッター(第1偏向装置、第2偏向装置、第3偏向装置)によりビームシフトを行った後、対物レンズ48に入射される。対物レンズ48の中心に正確に入射するために電磁式あるいは機械式アライメント機構をもつことが望ましい。ビームスプリッターに入射する電子ビームは不要な収差が発生しないように電子ビームの断面が小さくなるように収束してあることが望ましい。対物レンズ48には収差を小さくするため垂直に入射することが望ましい。対物レンズ48を通過する前あるいは通過後に1次電子のビーム走査用の偏向装置50にて1次電子のビームは偏向される。対物レンズ48の中心を通して収差を小さくするために2段偏向や対物レンズ48の直下で偏向が行われる。この1次電子のビーム偏向はサンプルの表面にて1次電子のビームを2次元的に走査するために行われる。一般に走査幅はサンプル上にて数ミクロンから数100ミクロン程度である。 (3) The beam of primary electrons that has passed through the objective aperture 44 is beam-shifted by the beam splitter (first deflector, second deflector, third deflector) of the present invention, and then incident on the objective lens 48. To. It is desirable to have an electromagnetic or mechanical alignment mechanism in order to accurately enter the center of the objective lens 48. It is desirable that the electron beam incident on the beam splitter is converged so that the cross section of the electron beam is small so as not to generate unnecessary aberration. It is desirable that the objective lens 48 is vertically incident in order to reduce aberrations. The beam of primary electrons is deflected by the deflector 50 for scanning the beam of primary electrons before or after passing through the objective lens 48. Two-stage deflection or deflection directly below the objective lens 48 is performed in order to reduce aberrations through the center of the objective lens 48. This beam deflection of the primary electrons is performed to two-dimensionally scan the beam of the primary electrons on the surface of the sample. Generally, the scanning width is about several microns to several hundreds of microns on the sample.
(4)一般のSEMあるいは電子ビーム検査装置で知られているように、1次電子のビーム走査はコンピュータからの指令によりピクセルクロック等、画像形成信号に同期してDAコンバーターから送付される階段状電圧波形に基づいて行われる。例えば16ビットのDAコンバーターを用いて走査信号を作った場合、64Kピクセル程度のX軸あるいはY軸に沿った走査を行うことが出来る。DAコンバーターに出力にするX軸とY軸の走査信号を適切に合成することで任意の方向に走査することも出来る。 (4) As is known in general SEMs or electron beam inspection devices, the beam scanning of primary electrons is a stepped shape sent from a DA converter in synchronization with an image formation signal such as a pixel clock according to a command from a computer. It is based on the voltage waveform. For example, when a scanning signal is created using a 16-bit DA converter, scanning can be performed along the X-axis or Y-axis of about 64 Kpixels. It is also possible to scan in any direction by appropriately synthesizing the X-axis and Y-axis scanning signals output to the DA converter.
(5)対物レンズ48の収差を小さくするため対物レンズ48の軸中心を通過するように1次電子のビーム軸を対物レンズ48の入射直前に2段偏向して1次電子のビーム走査を行うことが望ましい。1次電子のビームを大きく走査するとリニアリティーが劣化し走査歪が生じやすい。対物レンズ48の下に走査用の偏向電極を置いて走査すると歪を小さくできる。ただし焦点深度に影響するほど大きく走査すると像がぼけてしまうので、その場合は対物レンズ48の焦点を走査信号に同期して変化させることでぼけを補正する(ダイナミックフォーカス)。 (5) In order to reduce the aberration of the objective lens 48, the beam axis of the primary electron is deflected by two steps immediately before the incident of the objective lens 48 so as to pass through the axis center of the objective lens 48, and the beam scan of the primary electron is performed. Is desirable. When the beam of primary electrons is scanned large, the linearity deteriorates and scanning distortion is likely to occur. Distortion can be reduced by placing a deflection electrode for scanning under the objective lens 48 and scanning. However, if the image is scanned so large that it affects the depth of focus, the image will be blurred. In that case, the blur is corrected by changing the focus of the objective lens 48 in synchronization with the scanning signal (dynamic focus).
(6)走査に伴ってサンプル表面で発生する2次電子等の信号電子はサンプルと対物レンズ48の間に加えられたバイアス電圧(リターディング電圧9)により加速されて垂直に登っていき、対物レンズ48に入射する。対物レンズ48で発生する収差を小さくするために、15KV程度の出来るだけ大きな加速を行うことが望ましい。一般的には安全のために、対物レンズ48はグランド電位にしてサンプルの電位をマイナスにすることが多い。例えばサンプルへの照射エネルギーを1KVにするときは、サンプルの電位をマイナス14KVに設定する。 (6) Signal electrons such as secondary electrons generated on the sample surface during scanning are accelerated by the bias voltage (returning voltage 9) applied between the sample and the objective lens 48 and climb vertically to the objective. It is incident on the lens 48. In order to reduce the aberration generated in the objective lens 48, it is desirable to perform as large an acceleration as possible of about 15 KV. Generally, for safety, the objective lens 48 is often set to the ground potential to make the potential of the sample negative. For example, when the irradiation energy of the sample is set to 1 KV, the potential of the sample is set to -14 KV.
(7)対物レンズ48を通過した2次電子のビームは1次電子とは逆方向に進むのでビームスプリッター(第2偏向装置46)の磁界の作用により1次電子のビームとは逆方向に曲げられ1次電子の軌道から2次電子のビームが分離される。 (7) Since the beam of secondary electrons passing through the objective lens 48 travels in the direction opposite to that of the primary electrons, it is bent in the direction opposite to the beam of primary electrons due to the action of the magnetic field of the beam splitter (second deflector 46). The beam of secondary electrons is separated from the orbit of the primary electrons.
(8)分離された2次電子のビームは1次電子を画像形成のために走査する影響を受けているので、2次電子信号も走査されている。そのままでは電子検出素子上で焦点位置が上下左右に移動してしまい安定した像検出が出来ない。そこで、焦点位置が電子検出素子座標上で一定の位置に停止できるように1次電子ビーム走査に同期して2次電子ビームを再度逆方向に走査を行い、常に電子検出装置上に形成される2次電子像が移動しないように制御する。検出素子のサイズがビームの走査によって変動する2次電子着地点範囲よりも大きい場合は、2次電子ビームの逆走査をしなくても正しい画像検出を行うことが出来る。 (8) Since the separated beam of secondary electrons is affected by scanning the primary electrons for image formation, the secondary electron signal is also scanned. If it is left as it is, the focal position will move up, down, left and right on the electron detection element, and stable image detection will not be possible. Therefore, the secondary electron beam is scanned again in the opposite direction in synchronization with the primary electron beam scanning so that the focal position can be stopped at a fixed position on the electron detection element coordinates, and is always formed on the electron detection device. Control so that the secondary electron image does not move. When the size of the detection element is larger than the secondary electron landing point range that fluctuates due to the scanning of the beam, correct image detection can be performed without reverse scanning of the secondary electron beam.
図6は、本発明の装置例(その2)を示す。この図6は、図5に加えて対物レンズ中心よりもサンプルに近い側に電子透過可能な薄膜55を設けたことに特徴がある。この薄膜55は数nmから数十nmオーダーの薄いシリコンあるいはその化合物、金属膜あるいはグラフェン膜等の数原子層の炭素膜で出来ている。数百エレクトロンボルト以上に加速された電子ビームはこれらの膜をほとんど散乱することなく通過することが出来る。一方、これら薄膜は10パスカル程度の低真空領域と10のマイナス3乗以上の高真空領域を機械的に分離する役割を有している。同時にこれらの薄膜は導電性を有しバイアス電圧を印加することが出来る。 FIG. 6 shows an example of the device of the present invention (No. 2). FIG. 6 is characterized in that, in addition to FIG. 5, a thin film 55 capable of transmitting electrons is provided on the side closer to the sample than the center of the objective lens. The thin film 55 is made of a carbon film having several atomic layers such as thin silicon or a compound thereof, a metal film or a graphene film on the order of several nm to several tens of nm. Electron beams accelerated to hundreds of electron volts or more can pass through these films with little scattering. On the other hand, these thin films have a role of mechanically separating a low vacuum region of about 10 pascals and a high vacuum region of 10 minus 3 or more. At the same time, these thin films are conductive and can apply a bias voltage.
電子銃41で発生した1次電子のビームは例えば15KV程度のエネルギーを有する。偏向器にて1次電子のビーム位置をシフトした後、対物レンズ48に入射される。対物レンズ48に入射した1次電子のビームは対物レンズ48の収束作用によって細い1次電子のビームに絞られ薄膜55を透過してサンプル表面に照射される。照射された1次電子のビームによりサンプル表面では2次電子が発生する。 The beam of primary electrons generated by the electron gun 41 has an energy of, for example, about 15 KV. After shifting the beam position of the primary electron with the deflector, it is incident on the objective lens 48. The beam of primary electrons incident on the objective lens 48 is narrowed down to a thin beam of primary electrons by the converging action of the objective lens 48, passes through the thin film 55, and irradiates the sample surface. The beam of the irradiated primary electrons generates secondary electrons on the sample surface.
発生した2次電子はエネルギーが小さいのでそのままでは薄膜(隔膜)55を通過することが出来ない。そこでサンプルと薄膜55の間にバイアス電圧を印加して2次電子のビームを加速し隔膜55を透過させる。真空チャンバー52は10パスカル程度の低真空状態にあるため、余り高いバイアスを印加すると放電が生じる。そこで、放電が生じなくてかつ薄膜55を十分に透過できる程度のエネルギーを電子に与えられるように数百ボルトの電圧を印加する。このようにすると2次電子は十分にエネルギーを持ち薄膜55を透過して高真空領域に入る。高真空領域に入った2次電子は、放電の心配が無いので薄膜55と対物レンズ48の間でさらに加速されて対物レンズ48に入射し逆収束され電子検出装置54の表面にサンプル表面の像を形成する。 Since the generated secondary electrons have low energy, they cannot pass through the thin film (septum) 55 as they are. Therefore, a bias voltage is applied between the sample and the thin film 55 to accelerate the beam of secondary electrons and allow them to pass through the diaphragm 55. Since the vacuum chamber 52 is in a low vacuum state of about 10 pascals, an electric discharge occurs when an excessively high bias is applied. Therefore, a voltage of several hundred volts is applied so that the electrons can be given enough energy to pass through the thin film 55 without causing discharge. In this way, the secondary electrons have sufficient energy and pass through the thin film 55 to enter the high vacuum region. Since there is no concern about discharge of the secondary electrons that have entered the high vacuum region, they are further accelerated between the thin film 55 and the objective lens 48, enter the objective lens 48, and are inversely converged. To form.
以上の構成を採用することで高エネルギーの1次電子のビームを用いながらも、低真空状態にサンプルを保持することが可能で帯電防止が実現できる。帯電防止が出来ると発生する2次電子のエネルギー分布を小さくできる。同時に発生した2次電子のビームの色収差が大きくならないように対物レンズ48を通過させて検出できるようになる。 By adopting the above configuration, it is possible to hold the sample in a low vacuum state while using a beam of high-energy primary electrons, and antistatic can be realized. If antistatic is possible, the energy distribution of secondary electrons generated can be reduced. It becomes possible to detect by passing through the objective lens 48 so that the chromatic aberration of the beam of secondary electrons generated at the same time does not become large.
図7は、本発明の装置例(その3)を示す。この図7は、収差補正装置58を設けた例を示す。一般的には多段多極子を用いて対物レンズ48等の持つ球面収差および色収差等を補正できる装置である。軸対称電磁レンズは古くからプラスの収差しか作り出すことが出来ないという定理があるため、収差を補正することは不可能と言われてきた。しかしながら20世紀終盤になってローズやハイダーらは6極子あるいは8極子などの多極子レンズとトランスファーレンズを組み合わせて非対称場を作ることで、負の収差を作り出し元の正の収差との合成において収差を0にできる装置を開発した。さらなる多極子化および多段にすることでさらに高次の収差を補正できるようになる。球面収差や色収差が0に出来れば、従来は対物レンズの収差の影響を小さくするために行われていた1次電子ビームのエネルギーを10KV以上に上げる必要が無くなる。 FIG. 7 shows an example of the device of the present invention (No. 3). FIG. 7 shows an example in which the aberration correction device 58 is provided. Generally, it is a device capable of correcting spherical aberration, chromatic aberration, etc. of the objective lens 48 or the like by using a multi-stage multipole element. Since there is a long-standing theorem that an axisymmetric electromagnetic lens can only produce positive aberrations, it has been said that it is impossible to correct the aberrations. However, at the end of the 20th century, Rose and Heider et al. Created a negative aberration by combining a multipole lens such as a quadrupole or an octapole with a transfer lens to create an asymmetric field, which is an aberration in the synthesis with the original positive aberration. We have developed a device that can reduce the value to 0. Higher-order aberrations can be corrected by further increasing the number of quadrupoles and the number of stages. If the spherical aberration and the chromatic aberration can be reduced to zero, it is not necessary to raise the energy of the primary electron beam to 10 KV or more, which has been conventionally performed to reduce the influence of the aberration of the objective lens.
この図7の例では収差補正装置58を1次電子側のコラム、2次電子側のコラムにそれぞれ実装していることに特徴がある。収差補正装置58は多極子の組み合わせを行うことで球面収差や色収差の補正を行うことが出来る素子である。この装置58の利点は1次電子のエネルギーを15KVのように高くしなくても収差補正装置58を用いることで対物レンズ48や収束レンズの収差を補正して1次電子を小さなスポットサイズに絞ることが出来るようになることである。 The example of FIG. 7 is characterized in that the aberration correction device 58 is mounted on the column on the primary electron side and the column on the secondary electron side, respectively. The aberration correction device 58 is an element capable of correcting spherical aberration and chromatic aberration by combining multipole elements. The advantage of this device 58 is that the aberration correction device 58 is used to correct the aberrations of the objective lens 48 and the condensing lens and narrow down the primary electrons to a small spot size without increasing the energy of the primary electrons as high as 15 KV. To be able to do it.
図6では1次電子のビームのエネルギーを高くすることにより1次電子の持つエネルギー分散の影響が誤差程度となるようにして色収差発生を避けてきた。しかしながら、1次電子ビームを高いエネルギーにすると電子ビームコラムに高い耐電圧が必要で装置が大型に成るだけでなく、1次電子のビームが照射されたアパチャーなどの場所からX線などの不要あるいは有害な電磁波が放射されサンプルが感光するあるいは人体にも悪影響を及ぼし良くない。さらに2次電子の収差を小さくするためにも基板にバイアスを印加して加速する必要があり、サンプルと対物レンズ48の間の狭くて非常に放電しやすい場所に高電圧を印加する必要がある。高耐圧を得るために対物レンズ48とサンプルの距離を離してしまうとNAが小さくなって分解能が低下しビームスポットが大きくなってしまうという弊害がある。 In FIG. 6, by increasing the energy of the beam of the primary electrons, the influence of the energy dispersion of the primary electrons is reduced to an error level, and the occurrence of chromatic aberration has been avoided. However, when the primary electron beam is made high in energy, a high withstand voltage is required for the electron beam column, which not only makes the device large, but also does not require X-rays or the like from a place such as an aperture irradiated with the primary electron beam. Harmful electromagnetic waves are emitted and the sample is exposed to light or adversely affects the human body, which is not good. Furthermore, in order to reduce the aberration of secondary electrons, it is necessary to apply a bias to the substrate to accelerate it, and it is necessary to apply a high voltage to a narrow and very easy-to-discharge place between the sample and the objective lens 48. .. If the distance between the objective lens 48 and the sample is increased in order to obtain a high withstand voltage, the NA becomes small, the resolution is lowered, and the beam spot becomes large.
真空耐圧設計は凡そ1mmの間隔当たり数キロボルトと言われているため、15KVの耐圧を得るためにはサンプル表面と対物レンズ48の先端を5mm以上も離す必要があり分解能の劣化は避けられない。ましてや非導電性サンプル表面の帯電を防止するために使用される低真空技術などは数百ボルトのバイアス電圧印加で簡単に放電してしまい取り入れることが出来ない。 Since the vacuum withstand voltage design is said to be several kilovolts per 1 mm interval, it is necessary to separate the sample surface from the tip of the objective lens 48 by 5 mm or more in order to obtain a withstand voltage of 15 KV, and deterioration of resolution is unavoidable. Furthermore, the low vacuum technology used to prevent the surface of non-conductive samples from being charged cannot be easily incorporated by applying a bias voltage of several hundred volts.
本実施例の図7のように、収差補正装置58を用いると、1次電子のビームに対する対物レンズ48によってもたらされる収差および2次電子のビームに対する対物レンズ48の収差が0に補正されるため、5KV以下の低エネルギーを使用しながらも非常に収差の小さなシステムを作ることが出来る。その結果、高エネルギーを使用した場合と同様の小ささの1次電子のビームスポットをサンプル表面に作ることが出来る。同様に2次電子に関しても高い分解能を維持して電子検出装置54に入力することが出来る。 As shown in FIG. 7 of this embodiment, when the aberration correction device 58 is used, the aberration caused by the objective lens 48 with respect to the beam of the primary electrons and the aberration of the objective lens 48 with respect to the beam of the secondary electrons are corrected to 0. It is possible to make a system with very small aberration while using low energy of 5KV or less. As a result, a beam spot of primary electrons as small as when high energy is used can be created on the sample surface. Similarly, secondary electrons can be input to the electron detection device 54 while maintaining high resolution.
1次電子のビームあるいは2次電子のビームに対して放電の原因となる数百ボルトを超える大きなサンプルバイアス(リターディング電圧)を印加しないので、帯電防止に効果のある低真空モード測定を行うことが出来る。高真空モード測定時の真空チャンバーは通常マイナス4から5乗パスカルに維持されているが、低真空測定を行う場合にはマスフローコントローラ等を利用してチャンバー外部からクリーンな酸素や窒素あるいは空気あるいは不活性ガスを導入して1から100パスカル程度に真空度を維持することが出来る。このように低真空状態にするとサンプル表面の帯電は1次電子のビーム照射に伴って発生するプラスマイナスイオンの作用により中和され、正常な測定状態を保つことが出来る。この効果により、サンプル表面の電位をパターンに無関係に非常に安定に保ちながら高速シングルビームあるいは超高速マルチビーム検査を実行することが出来る。 Since a large sample bias (retarding voltage) exceeding several hundred volts, which causes discharge, is not applied to the beam of primary electrons or the beam of secondary electrons, low vacuum mode measurement that is effective in preventing static electricity should be performed. Can be done. The vacuum chamber during high vacuum mode measurement is usually maintained at minus 4 to 5 pascals, but when performing low vacuum measurement, clean oxygen, nitrogen, air, or inert gas is used from outside the chamber using a mass flow controller or the like. The degree of vacuum can be maintained at about 1 to 100 pascals by introducing an active gas. In this low vacuum state, the charge on the sample surface is neutralized by the action of positive and negative ions generated by the beam irradiation of the primary electrons, and the normal measurement state can be maintained. Due to this effect, high-speed single-beam or ultra-high-speed multi-beam inspection can be performed while keeping the potential of the sample surface very stable regardless of the pattern.
図8は、本発明のビームスプリッタ例を示す。この図8は、既述した図1、図2などのビームスプリッタ3を構成する第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の例をそれぞれ示す。 FIG. 8 shows an example of the beam splitter of the present invention. FIG. 8 shows examples of the first deflector 4, the second deflector 5, and the third deflector 6 that constitute the beam splitter 3 shown in FIGS. 1 and 2, respectively.
図8の(a)は、平行平板の例を示す。並行平板型は2極からなる電界発生のための電極とその電界に直交した磁界を発生させるためのポールピースからなる。 FIG. 8A shows an example of a parallel flat plate. The parallel plate type consists of an electrode consisting of two poles for generating an electric field and a pole piece for generating a magnetic field orthogonal to the electric field.
ビームスプリッターで用いる電界発生用の電極は通常は金属であるが、比透磁率が1に近い材料例えば透明電極ITOやアルミニウム、銅、銀、などを使用すると同時印加する磁場との干渉が小さくなり、電界と磁界がお互いに直交して均一に広がる領域を広い範囲で実現することが出来るようになる。これにより写像型検査装置の様に100ミクロンを超える太いビームを用いる場合にも、均一に磁界や電界を印加することが可能となり、良好な偏向特性を得ることが出来るようになる。磁界を加えるためのポールピースは大きな透磁率を有するパーマロイ等の金属で作製する。 The electrode for generating an electric field used in a beam splitter is usually made of metal, but if a material having a relative magnetic permeability close to 1, for example, a transparent electrode ITO, aluminum, copper, or silver, is used, the interference with the magnetic field applied at the same time becomes small. , It becomes possible to realize a region in which the electric field and the magnetic field spread uniformly at right angles to each other in a wide range. As a result, even when a thick beam exceeding 100 microns is used as in a mapping type inspection device, a magnetic field or an electric field can be uniformly applied, and good deflection characteristics can be obtained. The pole piece for applying a magnetic field is made of a metal such as permalloy, which has a large magnetic permeability.
図8の(a)において、ポールピース61は、磁界印加用ポールピースと電界印加用の電極との両方を兼ねた図が記してあるが、前述した電極材料を用いた電界印加用の電極(2極)とは別に電界に直交するように磁界印加用のポールピース(2極)を設けると広い範囲で均一な直交電界磁場が得られる。磁場は透磁率1で出来た材料の電極を通過して作用できるので、電界発生用の電極の裏に磁界発生用のポールピースを配置することも出来る。図示の電極兼ポールピース61は、軸対称に4極を通常配置する。更に6極、8極、10極、12極、16極・・・などの多極子にしてもよい。 In FIG. 8A, the pole piece 61 is shown as both a pole piece for applying a magnetic field and an electrode for applying an electric field. If a pole piece (2 poles) for applying a magnetic field is provided separately from the 2 poles) so as to be orthogonal to the electric field, a uniform orthogonal electric field magnetic field can be obtained in a wide range. Since the magnetic field can act by passing through the electrode of the material made of magnetic permeability 1, a pole piece for generating the magnetic field can be arranged behind the electrode for generating the electric field. In the illustrated electrode / pole piece 61, four poles are usually arranged axially symmetrically. Further, a multipole element such as 6 poles, 8 poles, 10 poles, 12 poles, 16 poles, etc. may be used.
コイル62は、電流を流して磁界を発生させ、各ポールピース(磁極)に印加するものである。4極であれば、各ポールピース(磁極)毎に各1つのコイル62を設ける。 The coil 62 causes a magnetic field to be generated by passing an electric current and applies it to each pole piece (magnetic pole). If there are four poles, one coil 62 is provided for each pole piece (magnetic pole).
ヨーク63は、コイル62で発生した磁界が外部に漏れないように短絡するためのヨークである。 The yoke 63 is a yoke for short-circuiting the magnetic field generated by the coil 62 so as not to leak to the outside.
以上の構成を有する軸対称の4極、6極、8極、12極などの多極子偏向装置を形成し、電界、磁界、あるいは電界と磁界の両者を軸上に発生させ、1次電子あるいは2次電子を偏向させることが可能となる。第1偏向装置4、第3偏向装置6は、電界、磁界のみで偏向、あるいは電界と磁界の両者で偏向させてもよい。第2偏向装置5は、少なくとも磁界あるいは電界と磁界とで偏向させ、1次電子の走行方向に対する2次電子の逆の走行方向の場合に逆方向に偏向し、両者を分離するように磁界と電界による偏向の度合いを調整する必要がある。 An axisymmetric 4-pole, 6-pole, 8-pole, 12-pole or other multipole deflector having the above configuration is formed, and an electric field, a magnetic field, or both an electric field and a magnetic field are generated on the axis, and primary electrons or primary electrons or It is possible to deflect secondary electrons. The first deflector 4 and the third deflector 6 may be deflected only by an electric field or a magnetic field, or may be deflected by both an electric field and a magnetic field. The second deflector 5 deflects at least by a magnetic field or an electric field and a magnetic field, deflects in the opposite direction to the traveling direction of the secondary electrons with respect to the traveling direction of the primary electrons, and separates the two from the magnetic field. It is necessary to adjust the degree of deflection due to the electric field.
図8の(b)は、パターンヨーク型の例を示す。この図8の(b)のパターンヨーク型は、図6の(a)の電極兼ポールピース61に相当する部分のみを示す。 FIG. 8B shows an example of a pattern yoke type. The pattern yoke type of FIG. 8 (b) shows only the portion corresponding to the electrode / pole piece 61 of FIG. 6 (a).
図6の(b)において、切込み71は、円筒に入れた切り込みであって、図示のような円筒状極素材74を形成するためのものである。
In FIG. 6B, the notch 71 is a notch made in a cylinder and is for forming a
タップ72は、回転場偏向器固定用のタップである。 The tap 72 is a tap for fixing the rotating field deflector.
タップ73は、治具取付用のタップである。 The tap 73 is a tap for attaching a jig.
円筒状極素材74は、円筒を図示の切込み71で分離した円筒状の極素材(図6の(a)の電極兼ポールピース61に対応するもの)である。
The
以上のように、円筒を1次電子(あるいは2次電子)の回転方向に合わせて切込み71を入れて作成した円筒状極素材74を作成し、これを図6の(a)の電極兼ポールピース61にすることにより、1次電子(あるいは2次電子)が走行するに従い回転する度合いに合わせて電極、磁極を回転させることが可能となり、収差を低減することが可能となる。
As described above, the
図8の(c)は、ウィーンフィルターの例を示す。この公知の図8の(c)のウィンフィルタ(8極)は、図示のように、n=1,2,3,4,5,6,7,8の極からなり、内側に電極と磁極を兼ねた極(8極)が軸対称に配置され、その外側に磁界を発生させるコイルが8組、それぞれ設けられている。最外側は磁界を短絡する円筒状のヨークである。 FIG. 8C shows an example of a Vienna filter. As shown in the figure, the known win filter (8 poles) of FIG. 8 (c) is composed of n = 1,2,3,4,5,6,7,8 poles, and has electrodes and magnetic poles inside. The poles (8 poles) that also serve as the above are arranged axisymmetrically, and eight sets of coils that generate a magnetic field are provided on the outside thereof. The outermost is a cylindrical yoke that shorts the magnetic field.
以上の構成のもとで、8極に電界、磁界、あるいは電界と磁界の両者を印加することにより、1次電子、2次電子を偏向したり、1次電子と2次電子とを逆方向に偏向して両者を分離したり、することが可能となる。 Under the above configuration, by applying an electric field, a magnetic field, or both an electric field and a magnetic field to the eight poles, the primary and secondary electrons are deflected, and the primary and secondary electrons are reversed in the opposite directions. It is possible to separate the two by biasing to.
図9は、本発明のビームスプリッター例(パターンヨーク型)を示す。この図9は、既述した図8の(b)の円筒状極素材74を、図9のポールピース兼電極65とした例を示し、パターンヨークの上面図を示す。
FIG. 9 shows an example of a beam splitter (pattern yoke type) of the present invention. FIG. 9 shows an example in which the
図9において、ポールピース兼電極65は、既述した図8の(b)の円筒状極素材74に対応するものであって、磁極と電極の両方として動作するものである。
In FIG. 9, the pole piece / electrode 65 corresponds to the
コイル66は、ポールピース兼電極65に、磁界を印加するものである。 The coil 66 applies a magnetic field to the pole piece / electrode 65.
磁気シールド67は、コイル61に電流を流して発生した外側(外部)に向かう磁界を短絡する円筒状の磁気シールドである。 The magnetic shield 67 is a cylindrical magnetic shield that short-circuits an outward (outside) magnetic field generated by passing an electric current through the coil 61.
以上のように構成することにより、既述した図8の(b)の軸方向に回転する電極と磁極を構成してこれを1次電子あるいは2次電子の走行方向に回転する角度に対応させることにより、1次電子あるいは2次電子に対する偏向の収差を低減することが可能となる。 With the above configuration, the electrodes and magnetic poles that rotate in the axial direction of FIG. 8B described above are configured, and these are made to correspond to the angles of rotation of the primary electrons or secondary electrons in the traveling direction. This makes it possible to reduce the aberration of deflection with respect to primary electrons or secondary electrons.
図10は、本発明の装置動作ブロック説明図を示す。 FIG. 10 shows an explanatory diagram of an apparatus operation block of the present invention.
図10の(a)は1次電子の動作を示し、図10の(b)はサンプルから放出された2次電子の動作を示す。 FIG. 10A shows the operation of primary electrons, and FIG. 10B shows the operation of secondary electrons emitted from the sample.
図10の(a)において、S1は、電子銃が1次電子のビームを放射する。 In FIG. 10A, in S1, the electron gun emits a beam of primary electrons.
S2は、平行ビームにする。これは、S1で電子銃から放射された1次電子のビームを図示とのコンデンサレンズにより平行ビームにする。 S2 is a parallel beam. This makes the beam of the primary electrons emitted from the electron gun in S1 a parallel beam by the condenser lens shown in the figure.
S3は、第1偏向器で偏向する。これは、既述した図1、図2の第1偏向装置4で図示のように偏向する。 S3 is deflected by the first deflector. This is deflected as shown in the first deflection device 4 of FIGS. 1 and 2 described above.
S4は、第2編子器で偏向する。これは、既述した図1、図2の第2偏向装置5で図示のように偏向する。 S4 is deflected by the second knitting device. This is deflected as shown by the second deflection device 5 of FIGS. 1 and 2 described above.
S5は、対物レンズで収束する。これは、既述した図1、図2の対物レンズ7が1次電子のビームを細く絞る。 S5 converges on the objective lens. This is because the objective lens 7 of FIGS. 1 and 2 described above narrows the beam of the primary electron.
S6は、1次電子減速する。これは、既述した図2のV1あるいはV2のリターディング電圧を印加し、1次電子を減速(加速電圧を減速)する。 S6 decelerates the primary electron. This applies the retarding voltage of V1 or V2 of FIG. 2 described above to decelerate the primary electrons (decelerate the acceleration voltage).
S7は、サンプルに照射する。これは、S6のリターディング電圧により減速された、細く絞られた1次電子のビームをサンプル8に照射しつつ平面走査する。1次電子をサンプル8に照射すると、2次電子が発生する。 S7 irradiates the sample. This scans the sample 8 in a plane while irradiating the sample 8 with a beam of finely focused primary electrons decelerated by the retarding voltage of S6. When the sample 8 is irradiated with primary electrons, secondary electrons are generated.
以上によって、既述した図1、図2の構成のもとで電子銃で発生させた1次電子を第1偏向器、第2偏向器で2段偏向して結果として1次電子のビームの走行方向をシフトさせ、細く絞ってサンプル8に照射しつつ平面走査し、2次電子を放出させることが可能となる。 As described above, the primary electrons generated by the electron gun under the configurations of FIGS. 1 and 2 described above are deflected in two stages by the first deflector and the second deflector, and as a result, the beam of the primary electrons is generated. It is possible to shift the traveling direction, squeeze it finely, perform plane scanning while irradiating the sample 8, and emit secondary electrons.
次に、2次電子の動作について図10の(b)の順番に説明する。 Next, the operation of the secondary electrons will be described in the order shown in FIG. 10 (b).
図10の(b)において、S11は、2次電子発生する。これは、図10の(a)のS7で1次電子をサンプル8に照射しつつ平面走査したことに対応して。2次電子が放出(発生)される。 In FIG. 10B, S11 generates secondary electrons. This corresponds to the plane scanning while irradiating the sample 8 with the primary electron in S7 of FIG. 10 (a). Secondary electrons are emitted (generated).
S12は、2次電子加速する。これは、S11で発生した2次電子は、既述した図2のV1あるいはV2のリターディング電圧により加速される。 S12 accelerates secondary electrons. This is because the secondary electrons generated in S11 are accelerated by the retarding voltage of V1 or V2 of FIG. 2 described above.
S13は、対物レンズ通過する。これは、S12で加速された2次電子は、既述した図2の対物レンズ7の軸対称の強い磁界の作用により螺旋を描きながら上方向に進行し、該対物レンズ7を通過する。 S13 passes through the objective lens. This is because the secondary electrons accelerated in S12 travel upward while drawing a spiral due to the action of the axisymmetric strong magnetic field of the objective lens 7 of FIG. 2 described above, and pass through the objective lens 7.
S14は、第2偏向器で偏向する。これは、既述した図1、図2の第2偏向装置5で図示のように偏向し、1次電子と、当該2次電子が分離される。 S14 is deflected by the second deflector. This is deflected as shown in the second deflection device 5 of FIGS. 1 and 2 described above, and the primary electrons and the secondary electrons are separated.
S15は、第3偏向器で偏向する。これは、S14で分離された2次電子を逆方向に偏向して偏向収差などをキャンセルする。 S15 is deflected by the third deflector. This cancels the deflection aberration and the like by deflecting the secondary electrons separated in S14 in the opposite direction.
S16は、写像レンズで像形成する。これは、S15の第3偏向器で偏向された後の2次電子について、写像レンズで2次電子の像を電子顕出器の面上に形成(結像)させる。 The image of S16 is formed by a mapping lens. In this method, for the secondary electrons after being deflected by the third deflector of S15, an image of the secondary electrons is formed (imaged) on the surface of the electron presenter by the mapping lens.
S17は、電子検出器で検出する。S16で結像された2次電子を、2次電子検出器で検出する。 S17 is detected by an electronic detector. The secondary electrons imaged in S16 are detected by the secondary electron detector.
S18は、信号増幅する。これは、S17で検出した2次電子の信号を増幅する。 S18 amplifies the signal. This amplifies the signal of the secondary electrons detected in S17.
S19は、PCで画像処理する。 Image processing in S19 is performed by a PC.
以上によって、既述した図1、図2の構成のもとでサンプル8から放出された2次電子を、第2偏向器、第3偏向器で2次電子を1次電子から分離すると共に、2段偏向して結果として2次電子のビームの走行方向をシフトさせ、2次電子のビームを高分解能に結像してサンプル8の表面の高分解能の2次電子画像を検出することが可能となる。 As described above, the secondary electrons emitted from the sample 8 under the configurations of FIGS. 1 and 2 described above are separated from the primary electrons by the second deflector and the third deflector, and the secondary electrons are separated from the primary electrons. As a result of two-step deflection, the traveling direction of the beam of secondary electrons can be shifted, and the beam of secondary electrons can be imaged with high resolution to detect a high-resolution secondary electron image on the surface of sample 8. Will be.
図11は、本発明の装置調整フローチャートを示す。 FIG. 11 shows an apparatus adjustment flowchart of the present invention.
図11の(a)は調整フローチャートを示す。 FIG. 11A shows an adjustment flowchart.
図11の(a)において、S21は、初期電界、磁界を印加する。これは、既述した図1、図2の第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6について、それぞれ実験で求めた最適な電圧、電流、電圧と電流の値に初期設定する。 In FIG. 11A, S21 applies an initial electric field and a magnetic field. This is initially set to the optimum voltage, current, voltage and current values obtained in the experiment for the first deflection device 4, the second deflection device 5, and the third deflection device 6 of FIGS. 1 and 2 described above. To do.
S22は、電界磁界変更する。これは、S21で初期設定した電界、磁界のままでは、図1、図2の第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6が十分な動作しない場合、電界(電圧)、磁界(電流)を微細調整し、最適に偏向されて2次電子量が最大となるように調整する。 S22 changes the electric field and magnetic field. This is because the electric field (voltage), when the first deflector 4, the second deflector 5, and the third deflector 6 of FIGS. 1 and 2 do not operate sufficiently with the electric field and magnetic field initially set in S21. The magnetic field (current) is finely adjusted so that it is optimally deflected and the amount of secondary electrons is maximized.
S23は、2次電子量最大が判別する。YESの場合には、図1、図2の検出器で検出される2次電子の量が最大で、最適な偏向度合に第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の電界(電圧)、磁界(電流)、電界と電流が調整されたので、終了する。NOの場合には、S22を繰り返す。 In S23, the maximum amount of secondary electrons is determined. When YES, the amount of secondary electrons detected by the detectors of FIGS. 1 and 2 is the maximum, and the first deflection device 4, the second deflection device 5, and the third deflection device 6 have the optimum degree of deflection. Since the electric field (voltage), magnetic field (current), electric field and current have been adjusted, the process ends. If NO, repeat S22.
以上によって、図1、図2の構成にいついて、第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の電界、磁界、電界と磁界を実験で求めた初期値に初期設定し、これから2次電子の量が最大となるように電界、磁界、電界と磁界を調整することにより、第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の調整を行うことが可能となる。 As described above, in the configuration of FIGS. 1 and 2, the electric field, magnetic field, electric field and magnetic field of the first deflection device 4, the second deflection device 5, and the third deflection device 6 are initially set to the initial values obtained by the experiment. By adjusting the electric field, the magnetic field, the electric field and the magnetic field so that the amount of secondary electrons is maximized, it is possible to adjust the first deflection device 4, the second deflection device 5, and the third deflection device 6. It becomes.
図11の(b)は、軸調整フローチャート(偏向収差)を示す。 FIG. 11B shows an axis adjustment flowchart (deflection aberration).
図11の(b)において、S31は、初期電界、磁界を印加する。これは、既述した図1、図2の第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6について、それぞれ実験で求めた偏向収差が最小となる電圧、電流、電圧と電流の値に初期設定する。 In FIG. 11B, S31 applies an initial electric field and a magnetic field. This is the voltage, current, voltage and current that minimize the deflection aberration obtained in the experiment for the first deflection device 4, the second deflection device 5, and the third deflection device 6 of FIGS. 1 and 2, respectively. Initialize to a value.
S32は、アライメントパラメータ変更する。これは、S31で初期設定した電界、磁界のままでは、図1、図2の第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の偏向収差が大きく、十分な量の2次電子の量が検出できない場合、対向する極の電界、磁界を微細調整などし、電界、磁界の中心軸を調整し、2次電子量が最大となるように調整する。 S32 changes the alignment parameter. This is because, with the electric and magnetic fields initially set in S31, the deflection aberrations of the first deflector 4, the second deflector 5, and the third deflector 6 of FIGS. 1 and 2 are large, and a sufficient amount of secondary is used. If the amount of electrons cannot be detected, the electric and magnetic fields of the opposite poles are finely adjusted, and the central axes of the electric and magnetic fields are adjusted so that the amount of secondary electrons is maximized.
S33は、2次電子量が最大が判別する。YESの場合には、図1、図2の検出器で検出される2次電子の量が最大で、第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の電界、磁界の軸中心が最適に調整されたので、終了する。NOの場合には、S32を繰り返す。 In S33, the maximum amount of secondary electrons is determined. When YES, the amount of secondary electrons detected by the detectors of FIGS. 1 and 2 is the maximum, and the axes of the electric and magnetic fields of the first deflector 4, the second deflector 5, and the third deflector 6 are the maximum. Now that the center has been optimally adjusted, we are finished. If NO, repeat S32.
以上によって、図1、図2の構成のもとで、第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の偏向収差が最小となる実験で求めた初期値に初期設定し、これから2次電子の量が最大となるように電界、磁界の対向する極の強さなどを加減し軸中心を調整することにより、偏向収差を最小に調整することが可能となる。 As described above, under the configurations of FIGS. 1 and 2, the initial values obtained in the experiment in which the deflection aberrations of the first deflection device 4, the second deflection device 5, and the third deflection device 6 are minimized are initially set. From this, it is possible to adjust the deflection aberration to the minimum by adjusting the axis center by adjusting the strength of the opposite poles of the electric field and the magnetic field so that the amount of secondary electrons is maximized.
図11の(c)は、軸調整フローチャート(回転方向)を示す。 FIG. 11C shows an axis adjustment flowchart (rotational direction).
図11の(b)において、S41は、初期電界、磁界を印加する。これは、既述した図1、図2の第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6について、それぞれ実験で求めた最適な回転方向となる電圧、電流、電圧と電流の値に初期設定する。 In FIG. 11B, S41 applies an initial electric field and a magnetic field. This is the voltage, current, voltage and current that are the optimum rotation directions obtained in the experiments for the first deflection device 4, the second deflection device 5, and the third deflection device 6 of FIGS. 1 and 2, respectively. Initialize to a value.
S42は、アライメントパラメータ変更する。これは、S41で初期設定した電界、磁界のままでは、図1、図2の第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6による回転方向がずれ、十分な量の2次電子の量が検出できない場合、対向する極の電界、磁界などを微細調整して電界、磁界による回転方向を調整し、2次電子量が最大となるように調整する。 S42 changes the alignment parameter. With the electric and magnetic fields initially set in S41, the rotation directions of the first deflector 4, the second deflector 5, and the third deflector 6 of FIGS. 1 and 2 are deviated, and a sufficient amount of secondary is secondary. When the amount of electrons cannot be detected, the electric and magnetic fields of the opposite poles are finely adjusted to adjust the rotation direction due to the electric and magnetic fields, and the secondary electron amount is adjusted to the maximum.
S43は、2次電子量最大が判別する。YESの場合には、図1、図2の検出器で検出される2次電子の量が最大で、第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の電界、磁界による回転方向が最適に調整されたので、終了する。NOの場合には、S42を繰り返す。 In S43, the maximum amount of secondary electrons is determined. When YES, the amount of secondary electrons detected by the detectors of FIGS. 1 and 2 is the maximum, and the rotation of the first deflector 4, the second deflector 5, and the third deflector 6 due to the electric and magnetic fields. Now that the orientation has been optimally adjusted, we are finished. If NO, repeat S42.
以上によって、図1、図2の構成のもとで、第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の電界、磁界による回転方向を実験で求めた初期値に初期設定し、これから偏向器を通過して検出される2次電子の量が最大となるように電界、磁界の対向する極の強さなどを加減して回転方向を調整することにより、第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の電圧、磁界による回転方向を最適に調整することが可能となる。原理の上では偏向装置を本来の電子ビーム軌道に対してお互いに対称に配置してかつ通過する電子ビームが出来るだけ同じようにかつお互いに逆に成るように調節すると収差を最も小さくすることが出来る。 Based on the above, under the configurations of FIGS. 1 and 2, the rotation directions of the first deflector 4, the second deflector 5, and the third deflector 6 due to the electric field and the magnetic field are initially set to the initial values obtained by the experiment. The first deflection device 4 is adjusted by adjusting the strength of the opposite poles of the electric field and the magnetic field so that the amount of secondary electrons detected through the deflector is maximized. , The voltage of the second deflection device 5 and the third deflection device 6 and the rotation direction due to the magnetic field can be optimally adjusted. In principle, the aberration can be minimized by arranging the deflectors symmetrically with respect to the original electron beam orbit and adjusting so that the passing electron beams are as similar as possible and opposite to each other. You can.
1:1次電子
2:2次電子
3:ビームスプリッタ―
4:第1偏向装置
5:第2偏向装置
5−1:スペーサ
6:第3偏向装置
7:対物レンズ
7−1:コイル
8:サンプル
9:絞り
31、31−1:エミッター
32、32−1:エクストラクタ
33、33−1:加速電極
34、34−1:レンズ
35、35−1:対物アパチャー
41:電子銃
42:ブランキング装置
43:ブランキングアパチャー
44:対物アパチャー
45:第1偏向装置
46:第2偏向装置
47:第3偏向装置
48:対物レンズ
49:ミラー
50:偏向装置
51:XYZステージ
52:真空チャンバー
53:真空ポンプ
54:電子検出装置
55:隔膜(薄膜)
56:マスフロー制御装置
57:ガス
58:収差補正装置
61:電極兼ポールピース
62:コイル
63:ヨーク
65:ポールピース兼電極
66:コイル
67:磁気シールド
71:切込み
72:、73:タップ
74:円筒状極素材
V1、V2:リターディング電圧
1: 1 primary electron 2: secondary electron 3: beam splitter
4: First deflection device 5: Second deflection device 5-1: Spacer 6: Third deflection device 7: Objective lens 7-1: Coil 8: Sample 9: Aperture 31, 31-1: Emitter 32, 32-1 : Extractors 33, 33-1: Acceleration electrodes 34, 34-1: Lens 35, 35-1: Objective aperture 41: Electronic gun 42: Blanking device 43: Blanking aperture 44: Objective aperture 45: First deflection device 46: Second deflection device 47: Third deflection device 48: Objective lens 49: Mirror 50: Deflection device 51: XYZ stage 52: Vacuum chamber 53: Vacuum pump 54: Electron detection device 55: Diaphragm (thin film)
56: Mass flow control device 57: Gas 58: Aberration correction device 61: Electrode and pole piece 62: Coil 63: Yoke 65: Pole piece and electrode 66: Coil 67: Magnetic shield 71: Notch 72 :, 73: Tap 74: Cylinder Electrode material V1, V2: retarding voltage
Claims (8)
1次電子を生成して加速する1次電子照射系と、
前記1次電子照射系で生成された1次電子を偏向する第1偏向装置と、
前記第1偏向装置で偏向された1次電子を逆方向に偏向して収差をキャンセルし、結像系の軸に一致させてサンプルに照射させると共に、該サンプルから放出された2次電子を前記1次電子と逆方向に偏向して分離する、少なくとも磁界で構成される第2偏向装置と、
前記第2偏向装置で偏向されて結像系の軸に一致させた後の前記1次電子を細く絞ってサンプルに照射すると共に、サンプルから放出された2次電子を前記第2偏向装置に入射させる対物レンズからなる結像系と、
前記第2偏向装置で偏向された後の2次電子を検出する2次電子検出系と
を備えことを特徴とする走査型電子顕微鏡。 In a scanning electron microscope in which a sample is irradiated with primary electrons, secondary electrons emitted from the sample are detected, and a secondary electron image of the sample is generated.
A primary electron irradiation system that generates and accelerates primary electrons,
A first deflection device that deflects the primary electrons generated by the primary electron irradiation system, and
The primary electrons deflected by the first deflector are deflected in the opposite direction to cancel the aberration, and the sample is irradiated with the primary electrons aligned with the axis of the imaging system, and the secondary electrons emitted from the sample are emitted from the sample. A second deflector composed of at least a magnetic field that deflects and separates the primary electrons in the opposite direction.
After being deflected by the second deflector and aligned with the axis of the imaging system, the primary electrons are finely squeezed to irradiate the sample, and the secondary electrons emitted from the sample are incident on the second deflector. An imaging system consisting of an objective lens to be used
A scanning electron microscope comprising a secondary electron detection system for detecting secondary electrons after being deflected by the second deflection device.
該第3偏向装置で偏向して収差をキャンセルした後の2次電子を検出する2次電子検出系と
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の走査型電子顕微鏡。 A third deflection device is provided to cancel the aberration by deflecting the secondary electrons deflected and separated by the second deflection device in the direction opposite to the deflection direction of the second deflection device.
The scanning electron microscope according to claim 1, further comprising a secondary electron detection system that detects secondary electrons after deflecting with the third deflection device to cancel the aberration.
1次電子を生成して加速する1次電子照射系と、
前記1次電子照射系で生成された1次電子を偏向する第1偏向装置と、
前記第1偏向装置で偏向された1次電子を逆方向に偏向して収差をキャンセルし、結像系の軸に一致させてサンプルに照射させると共に、該サンプルから放出された2次電子を前記1次電子と逆方向に偏向して分離する、少なくとも磁界で構成される第2偏向装置と、
前記第2偏向装置で偏向されて結像系の軸に一致させた後の前記1次電子を細く絞ってサンプルに照射すると共に、サンプルから放出された2次電子を前記第2偏向装置に入射させる対物レンズからなる結像系と、
前記第2偏向装置で偏向された後の2次電子を検出する2次電子検出系と
を設け、
前記第1偏向装置と前記第2偏向装置との偏向収差をキャンセルして低減し、2次電子画像の分解能を向上させたことを特徴とする走査型電子顕微鏡の2次電子検出方法。 In a method for detecting secondary electrons in a scanning electron microscope, which irradiates a sample with primary electrons, detects secondary electrons emitted from the sample, and generates a secondary electron image of the sample.
A primary electron irradiation system that generates and accelerates primary electrons,
A first deflection device that deflects the primary electrons generated by the primary electron irradiation system, and
The primary electrons deflected by the first deflector are deflected in the opposite direction to cancel the aberration, and the sample is irradiated with the primary electrons aligned with the axis of the imaging system, and the secondary electrons emitted from the sample are emitted from the sample. A second deflector composed of at least a magnetic field that deflects and separates the primary electrons in the opposite direction.
After being deflected by the second deflector and aligned with the axis of the imaging system, the primary electrons are finely squeezed to irradiate the sample, and the secondary electrons emitted from the sample are incident on the second deflector. An imaging system consisting of an objective lens to be used
A secondary electron detection system for detecting secondary electrons after being deflected by the second deflection device is provided.
A method for detecting secondary electrons in a scanning electron microscope, which comprises canceling and reducing the deflection aberration between the first deflection device and the second deflection device and improving the resolution of a secondary electron image.
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