JP2739485B2

JP2739485B2 - 走査型電子線装置

Info

Publication number: JP2739485B2
Application number: JP63279987A
Authority: JP
Inventors: 彬米澤
Original assignee: セイコーインスツルメンツ株式会社
Priority date: 1988-11-05
Filing date: 1988-11-05
Publication date: 1998-04-15
Anticipated expiration: 2013-04-15
Also published as: US4961003A; JPH02126545A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕外乱磁場を遮断し、大型試料を高分解能観察可能にし
た走査型電子線装置に関する。

〔従来の技術〕

近年、半導体試料を、低損傷、無帯電で観察するため
に、低加速電圧で観察することが望まれているが、通常
の走査型電子顕微鏡（SEM）では、分解能が不足するこ
とがある。このため、試料を対物レンズ磁場内に設置し
分解能を向上させた、いわゆるインレンズSEMが開発さ
れている。ところが、このインレンズSEMで観察できる
試料の大きさは、通常たかだか10φ程度である。したが
って、最近要望の強い６インチウェハー等の大型試料を
観察するためには、満足すべきものとはいえず、大型試
料を高分割能で観察する新たな装置が望まれている。

この試みとして、特開昭58−161235号公報に記載の装
置が提案されている。これは、第８図（同公報同５図参
照）に示すように、対物レンズ29の磁極を上側磁極20、
下側磁極21に分割配置し、これらの磁極間において、当
該磁極の配置方向に対して交差する方向に延びる試料収
容空間28を形成するとともに、磁極間隙間内に対物レン
ズ磁極面より大きな面積を有する試料ホルダー14aを配
置した構成の走査型電子線装置である。さらに、該公報
には、下側電極の磁極を取り払った例（同公報第10図参
照）も開示されており、これにより、収容空間を拡大し
て各種検出器を配置したり、あるいは、試料ホルダの取
り付け自由度を増大させることを図っている。

さらに、大型試料を高分解能で観察するための手段と
しては、対物レンズとして第９図ａで示すような単極磁
界型レンズ５を用いる走査型電子線装置が考えられる。
単極磁界型レンズ５は、第９図ａに示すように軸対称構
造であり、試料13に対向する頂面10aを含む内筒10と、
端面９を有する外筒、および励磁コイル６よりなる。該
レンズ両磁極である内筒頂面10aおよび外筒端面９は、
試料13に対し、同じ側に配置されている。これに接続さ
れる電子銃、集束レンズ等は、ａ側あるいはｂ側が考え
られ、電子ビームは、各々、5a側から、あるいは、5b側
から試料13を照射する、いずれの場合においても、通常
のSEMの対物レンズにおけるよりも小さい球面収差係数C
s、色収差係数Ccを有するレンズを得ることが可能であ
る。（文献:S.M JUMA eT al.1983 J.Phys.E:Sci.In
strum.,Vol.16 P1063）このレンズにより形成される磁束分布、および、光軸
方向の磁束密度Bz分布を、第９図ｂに示す。磁束密度Bz
の分布は、内筒頂面10a付近に最大値を有し、ａ方向に
急速に、ｂ方向になだらかに減衰する分布を有してい
る。試料13は、磁束密度Bzの最大値付近に設置すること
ができ、インレンズSEM同様、高い分解能を得ることが
可能である。しかも、対物レンズ両磁極は、試料の片側
に配置されているため、大きな試料および試料ステージ
の収容空間を設けることができ、大型試料の観察が可能
である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、第８図に示した従来の例では、試料ホ
ルダは、平板形状である必要がある。ところが、SEMの
試料ステージとしては、XY移動、回転、傾斜の機能が要
求されるが、これらの機能を大径で平板の試料ホルダー
を用いて達成することは困難である。

同公報には、既に述べたように、下側磁極片を取り払
った例（同公報第10図）も開示さているが、この場合に
は、上記機能を有する試料ステージを組み込むことは可
能である。しかしながら、この構成では、試料室が対物
レンズ磁気回路の一部を構成しているため、該試料室が
非対称性を有していると、電子光学系が影響を受け、軸
不良、非点収差の発生が避け得ないという欠点がある。

また、第９図に示した例では、内筒頂面と外筒端面
が、磁極を構成するため、良い軸対称性が得られるが、
一方、試料周囲は、磁性体により囲まれていないため、
外乱磁場の影響を受け易く、特に、低加速電圧観察にお
いて支障がある。この場合、他の磁性体により、試料周
囲を磁気シールドすることが考えられるが、方法によっ
ては、該磁気シールド材が磁気回路の一部を形成し、単
極磁界型レンズの磁場を乱し、所定の性能が得られない
上に、軸不良、非点収差が生ずる等の不都合が生ずる。

そこで、本発明では走査型電子線装置の対物レンズ
に、試料空間を大きく取れる単極磁界型レンズを使用
し、かつ、試料周囲を磁気シールドするにもかかわら
ず、磁気シールドによる前述の不都合が全く存在しない
走査型電子線装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明が上記目的を達成するために採用する手段は、電子銃、集束レンズ、走査系、対物レンズ、電子−検
出系を有する走査型電子線装置において、対物レンズが単極磁界型レンズで構成されるととも
に、試料周囲に磁気シールド部材が設けられ、かつ、該
単極磁界型レンズの外筒端面の内半径をＲとし、該単極
磁界型レンズの内筒頂面とこれに光軸方向に対向する該
磁気シールド部材との距離をＬとしたとき、Ｌ≧Ｒを満足すると共に、該単極磁界型レンズの外筒端面と、該磁気シールド部
材とが、磁気的間隙を有することを特徴とする走査型電
子線装置である。

また、磁気シールド部材が、試料室を兼ねていること
を特徴とする走査型電子線装置である。

〔作用〕

本発明の作用について第５図の作動原理説明図に基づ
いて説明する。

第５図に示すように、単極磁界型レンズ５の頂面10a
からのＬの距離に磁性体円板16aを設置し、Ｌの変化に
対する磁場分布の変化を調べる。単極磁界型レンズ５が
単独で存在する（磁性体円板がない）場合の磁束密度Bz
の最大値（実測値）をBopとし、該円板が頂面10aよりＬ
の距離に設置される場合のBzの最大値（実測値）をBpと
する。第６図に、BpのBopに対する変化の割合（Bp−Bo
p）/Bopを、L/Rに対して示す。但し、Ｒは、第５図に示
すように外筒端面９の内半径である。第６図によれば、
Ｌ＜（1/10）・Ｒでは、BpはBopの２倍以上になるが、
Ｌ＞（8/10）・Ｒでは、BpはBopと１％程度以下にしか
違わないことがわかる。さらに、Ｌ≧Ｒでは、磁性体円
板があるときの磁束密度のピーク値Bpは、単極磁界型レ
ンズ５が単独で存在する場合のピーク値Bopと等しい。
また、ピーク値以外のBzの分布も円板がある場合と無い
場合も一致することを確認した。すなわち、Ｌ≧Ｒで
は、磁性体円板は、単極磁界型レンズの磁気回路を形成
していないといえる。

第６図の関係は、内筒頂面10aが外筒端面９と同一面
にある場合、あるいは、内筒頂面10aが外筒端面９より
ひっこんでいる場合についても同様のグラフが得られ
る。

次に、第３図において、Ｌ≧Ｒの関係を保ち、単極磁
界型レンズの外筒端面と磁気シールド部材との磁気的間
隙ｌを変化させた場合の、BpのBopに対する変化の割合
（Bp−Bop）/BopをL/Rに対して第７図に示す。

ｌ＝０、すなわち、単極磁界型レンズ外筒端面９と、
磁性体外筒16が、磁気的に接続されており、また、内筒
頂面10aと、磁性体外筒底面との距離Ｌが、Ｌ≧Ｒを満
たすときの磁束密度Bzの最大値Bpは、単極磁界型レンズ
５が、単独で存在する場合の最大値Bopより20％程度大
きいが、さらに、第７図より磁気的間隙ｌを増していく
とBpは、急速にBopに近付くことがわかる。すなわち、
ｌ≧（2/10）・Ｒでは、Bpは、Bopと１％程度以下しか
異ならず、さらに、ｌ≧（1/3）・Ｒでは、BpはBopと等
しい。したがって、実質的には、磁気的間隙があればよ
いといえる。

以上述べたように、磁気シールド部材16と単極磁界型
レンズ５とを本発明の構成のように設置するとき、該磁
気シールド部材16は、単極磁界型レンズ５の磁気回路を
形成せず、外乱磁場のシールド体として機能することが
わかる。このとき、該磁気シールド部材は、軸対称であ
る必要はなく、矩形形状でもよいので、他の検出器等の
取り付けも容易となる。

なお、第３図においては、単極磁界型レンズ５の外筒
半径と、磁性体外筒（磁気シールド部材）半径とが同一
径である場合を示しているが、両者の外筒径は必ずしも
同一である必要はなく、何れが大きくても第７図の関係
が成立することを確認した。

〔実施例〕

第１図に本発明の実施例を示す。電子銃２、集束レン
ズ３を通過してきた電子線４は、単極磁界型レンズ５に
より集束され、走査系コイル７により試料13面上に走査
される。試料13は単極磁界型レンズ５のつくる磁界内に
設置されているため、試料が、磁界外に設置される通常
のSEM対物レンズの場合よりも小径の電子プローブが得
られる。電子プローブ照射により、試料13より出た２次
電子線は、単極磁界型レンズ５が形成する磁界に拘束さ
れて、試料前方に取り出され、単極レンズ内筒内に設け
られた２次電子検出器11により検出される。また、大径
の試料13は、試料ステージ14上に設置されており、XY移
動、回転、傾斜が可能とされる。

該単極磁界型レンズ５は、非磁性材よりなる試料室12
に接続されており、試料室12は、磁性材16により、磁気
シールドされている。試料室12および磁気シールド部材
16は、光軸対称である必要はなく、矩形構造をしていて
もよい。磁気シールド部材16と、単極磁界型レンズ５の
頂面との距離Ｌは、単極磁界型レンズ５の外筒の内半径
Ｒと等しいか、或るいは大きくされている。また、磁気
シールド部材16は、単極磁界型レンズ外筒端面９と、光
軸と直角方向に磁気的間隙ｌを有している。

第２図は、本発明の第２の実施例の要部を示す。試料
室12は、磁性体で構成されており、磁気シールドを兼ね
ている。第１図と同様、磁性体よりなる試料室12と、単
極磁界型レンズ５の頂面10aとの距離Ｌは、単極磁界型
レンズの外筒８の内半径Ｒと等しいか或るいは大きくさ
れている。また、磁性体よりなる試料室12は、単極磁界
型レンズ５外筒端面９と、磁気的間隙ｌを有している。

第１、第２の実施例において、該磁気シールド部材、
あるいは、磁性体よりなる試料室は、単極磁界型レンズ
５の磁気回路を構成せず、外乱磁場シールド体としての
み作用することは、〔作用〕の項において述べたとおり
である。

第３図は、第３の実施例の要部を示す図であって、こ
れの説明は既に、〔作用〕の項において述べたので省略
する。

第１図〜第３図では、電子銃、集束レンズからの電子
が、単極磁界型レンズ内筒を通過して後、試料を照射す
る例を示しているが、第４図に示すごとく、単極磁界型
レンズを天地逆にしてもよい。このとき、電子線４は、
単極磁界型レンズ頂面前方に生じる磁界により、試料室
13に集束され、生じた２次電子は、磁気シールド部材16
の前方に設けられた２次電式検出器11により検出され
る。第１図と同様に、単極磁界型レンズ頂面10aと、磁
気シールド部材16との距離Ｌは、単極磁界型レンズ５の
外筒端面９の内半径Ｒよりも等しいかあるいは大きく設
定され、磁気シールド部材16は、外筒端面９と磁気的間
隙ｌを有している。

〔発明の効果〕

上記の構成よりなる本発明の走査型電子線装置は、そ
の対物レンズに試料空間を大きく取れる単磁極型レンズ
を使用し、かつ、試料周囲を磁気シールドするにもかか
わらず、既に述べたように、単極磁界型レンズの磁場分
布を乱さず、効果的に試料前方の外乱磁場をシールドす
るため、軸ズレ、非点収差を生じることなく、試料を高
分解能で観察できる。

また、試料空間を大きく取れるため、XY移動、回転、
傾斜可能な試料ステージを組み込むことが容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例を示す図面、第２図
は、本発明の第２の実施例の要部を示す図面、第３図
は、本発明の第３の実施例の要部を示す図面、第４図
は、本発明の第４の実施例の要部を示す図面、第５図
は、本発明の作動原理を説明する図面、第６図は、L/R
−（Bp−Bop）/Bopの関係図、第７図は、1/R−（Bp−Bo
p）/Bopを示す図面、第８図は、従来の例を示す図面、
第９図ａは、単極磁界型レンズの概念図、第９図ｂは、
単極磁界型レンズの磁束分布を示す図面である。１……顕微鏡本体２……電子銃３……集束レンズ４……電子線５……単極磁界型レンズ６……励磁コイル７……走査系コイル８……外筒９……外筒端面 10……内筒 11……二次電子検出器 12……試料室 13……試料 14……試料ステージ 15……試料室壁 16……磁気シールド部材 17……非磁性材

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電子銃、集束レンズ、走査系、対物レン
ズ、電子−検出系を有する走査型電子線装置において、対物レンズが単極磁界型レンズで構成されるとともに、
試料周囲に磁気シールド部材が設けられ、かつ、該単極
磁界型レンズの外筒端面の内半径をＲとし、該単極磁界
型レンズの内筒頂面とこれに光軸方向に対向する該磁気
シールド部材との距離をＬとしたとき、Ｌ≧Ｒを満足すると共に、該単極磁界型レンズの外筒端面と、該磁気シールド部材
とが、磁気的間隙を有することを特徴とする走査型電子
線装置。
【請求項２】磁気シールド部材が、試料室を兼ねている
ことを特徴とする請求項１記載の走査型電子線装置。