JP2887602B2 - 荷電粒子集束用対物レンズ - Google Patents

荷電粒子集束用対物レンズ

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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/10—Lenses
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は荷電粒子ビームを集束する対物レンズに関
するものである。
〔従来の技術〕
マイクロ・デバイスおよびオプトエレクトロニクス・
デバイスの開発と製作の総ての分野においてサブマイク
ロメータ構造の視覚判定、設定パターンからの外れの確
定、高さ、幅、傾斜角等のトポグラフィック・データの
捕捉と計測を可能にするため高分解能走査型電子顕微鏡
に対する要求が次第に増大してきた。しかし従来の走査
型電子顕微鏡ではこれに必要な数ナノメータ領域の分解
能は20kV以上の高い加速電圧において始めて達成される
ものであるが、このように高い加速電圧ではレジスト構
造と集積回路が損傷を受け又非導電性又は不良導電性の
試料は充電されるおそれがある。
〔発明が解決しようとする課題〕
この発明の目的は、不良導電性の試料においても無充
電検査が可能である対物レンズを提供することである。
〔課題を解決するための手段〕
この目的は特許請求の範囲請求項１に特徴として挙げ
た構成とすることにより達成される。
〔発明の効果〕
この発明によって達成される主な利点は、非導電性も
しくは不良導電性の試料が高い分解能をもって充電され
ることなく投影と測定ができることである。
〔実施例〕
図面を参照してこの発明を更に詳細に説明する。
第１図に図式的に示した対物レンズは走査型電子顕微
鏡の構成部品であって、電子源又はコンデンサレンズに
よる縮小中間像を試料PR特にオプトエレクトロニクス素
子又はマイクロエレクトロニクス素子に投影するもので
ある。この対物レンズは非対称磁気レンズML、磁気レン
ズに重ねられた界浸レンズOE/UE、可調整電位に置かれ
る制御電極STおよび一次電子PEによってそれぞれの測定
個所から放出された二次電子と後方散乱電子SEを検出す
る検出器DTから構成される。界浸レンズは磁気レンズML
の上側磁極片OPの区域に設けられた円錐形電極OEと下側
磁極片UPの孔に突出する管電極UEを備え、これらの電極
の電位UOE又はUUEは、対物レンズ内部に一次電子PEを制
動するかあるいは二次電子SEを加速する電界が形成され
るように選定される。従って例えばEPE＝10keVという高
い運動エネルギーをもってレンズに進入する一次電子PE
は、陰極電位UK＝−1kV、陽極電位UA＝＋9kVとして界浸
レンズの電子源側電極OEを陽極電位UOE＝UA＝＋9kVに、
電極UEを規準電位0Vにおくとき（UUE＝0V）、EPE＝1keV
まで減速される。
集束磁界に減速電界が重ねられていることに基づきこ
発明の対物レンズは磁気レンズML（UOE＝0V）よりも著
しく良好な結像特性を示す。磁気レンズMLの色収差定数
と球面収差定数は一次電子PEを界浸レンズの電界内でほ
ぼ1/10に減速したときの静電−磁気対物レンズのそれよ
りもほぼ10倍大きくなる。
各測定点で放出され界浸レンズの電界により加速され
た二次電子と後方散乱電子SEとを検出する検出器DTは、
図示の実施例では磁気レンズMLの直上方に設けられる。
この検出器は環状の電子感応部分ESとその中心孔に絶縁
して保持された中空円筒REから構成される。環状部分ES
に加えられている例えば10kVの高電圧UESに対して一次
電子PEを遮蔽するため例えば電圧URE（UOE−1keV≦URE
≦UOE）が印加されている中空円筒REは、磁気レンズML
の上方の磁極片の孔にまで達していることが必要であ
る。検出器DTとしては特に半導体検出器、チャネル板、
シンチレータ−光導波路組が考えられる。これらは第１
図の実施例と異なり対物レンズ内部にも設けることがで
きる。この場合環状の検出器は試料PRから界浸レンズの
電界内に吸引された二次電子SEのほとんど総てを検出で
きるという利点がある。象限検出器の使用も当然可能で
ある。
走査型電子顕微鏡においては各測定個所で電荷の導入
と引出しがないときに限って絶縁性の試料の無充電計測
と投影が実現する。従って次の条件 iPR＝iPE−（iRE＋iSE）≒０ を少なくとも近似的に満たすように努力されている。こ
こでiPRは試料電流、iPEは一次電子流、iREは後方散乱
電子流、iSEは二次電子流である。二次電子流iSEは次式 iSE＝σ（EPE）・iPE により一次電子流iPEと一次電子エネルギーEPEに関係す
る係数σ（σは普通放出電子収量と呼ばれている）によ
って決められるから、従来の走査型電子顕微鏡ではそれ
ぞれの情況（測定個所の物質その他）に一次ビーム・エ
ネルギーEPEを適合させることにより電荷の収支を平衡
させることが試みられた。この発明による対物レンズを
備える走査型電子顕微鏡ではこのようなビーム・エネル
ギーの変更はそれに伴う欠点（加速電圧の変更、一次電
子ビームの後段集束、スティグマター電界の新規調整
等）と共に不必要となる。これは二次電子流強度iSEを
磁気レンズMLの下に設けられた電極STを使用して（二次
電子SEに作用する吸引電界の強度の調節）必要とする程
度に低下又は増大させることができることによるもので
ある。この場合吸引電界強度を決める環状電極又は絞り
STの電位USTは、ビーム・エネルギーEPEが近似的にそれ
ぞれの走査表面区域の中性点エネルギーENPに対応する
とき−100Vから＋100Vの間で調整可能であればよい。即
ち である。式σ（ENP）＝１で定義される中性点エネルギ
ーENPは一般に近似的に知られているだけであるから（E
NPは更に測定個所のトポロジィにも関係する）、場合に
よっては電位USTの調整範囲を更に広くする必要があ
る。
従来の対物レンズを使用する走査型電子顕微鏡では、
5kV以下の低い加速電圧（中性点エネルギーは少数は例
外を除いて約0.5から4keVの間である）における分解能
は主としてベルシュ効果と対物レンズの色収差によって
限定される。即ち電子間のクーロン反発力によりその空
間間隔が増大し試料に当たるビーム直径が大きくなる
（横方向ベルシュ効果）。更に高電流密度従って特にビ
ーム発生源中の電子−電子交互作用は一次電子のエネル
ギー分布を拡げる（エネルギーに関するベルシュ効果）
から、間接的に色収差を通してプローブ直径に対して不
利な影響を及ぼす。分解能を決める試料上の一次ビーム
の直径ｄは次式 d2＝dO 2＋dF 2 によって近似的に計算できる。ここでd0は電子間の反発
力によってビーム源と試料の間で拡大された幾何学的光
学的ビーム直径であり、dFは対物レンズの色収差によっ
て作られた収差小盤の直径である。dFは次式 dF＝２CF・α（ｅΔＵ）／（eU） で与えられる。ここでCFは対物レンズの色収差定数、α
はビームのアパーチュア、eUはビームエネルギー（Ｕ＝
加速電圧、ｅ＝電気素量）、ｅΔＵは一次電子のエネル
ギー分布を表す。従って低ビーム・エネルギーにおいて
の走査型電子顕微鏡の分解能を高めるにはエネルギー・
ベルシュ効果と横方向ベルシュ効果を充分低減させるこ
とが必要である。横方向ベルシュ効果の影響は運動エネ
ルギーeUの増大と共に低減し、特にビーム発生源中のエ
ネルギー分布幅が著しく増大するから、一次電子はビー
ム源クロス・オーバーを例えば2keVの低いエネルギーを
もって通過した後例えば10keVの高エネルギーまで加速
され、試料の直前で所望の低エネルギー例えば0.5ない
し2keVまで減速される必要がある。一次電子の制動と集
束用の装置としては特にこの発明による対物レンズが有
利であり、比較的大きな収差をもつ従来の対物レンズの
かわりになる。
傾斜状態にある大面積の試料を小さい操作間隔従って
短い焦点距離をもって投影し計量するため、従来の走査
型電子顕微鏡は通常円錐形対物レンズを備える。しかし
磁極片の形状に基づきこの形の対物レンズは磁極片間隙
PSが大きくて焦点距離ｆが比較的長くなるから、色収差
と球面収差が増大する（CF〜ｆ）。この種の対物レンズ
の収差の低減はこの発明により、円錐形磁気レンズMLに
第１図に示した円錐形又は円筒形の電極OEと下側の磁極
片UPの孔に設けられた管電極UEを備える界浸レンズを第
２図に示すように重ねることによって達成される。しか
し一次電子PEの制動によって生ずる色収差定数と球面収
差定数の低下に基づく投像特性の改善は、レンズMLの主
面を試料PRの方向に移動させ焦点距離ｆを短くすること
によっても達成される。この移動も焦点距離ｆに比例す
る色収差定数に対して有利に使用する。二次電子SEに作
用する吸引電界の強度を調整する電極STは、第２図の実
施例においても磁気レンズMLの直下に設けられ円錐形に
作られているのが有利である。第３図に示すように電極
STは磁気レンズMLの下側の磁極片UPに組込み一体化する
ことも可能である。この場合絶縁物ISによって上方の磁
極片部分から分離された下部UP1に所望の電位USTを加え
る。
第４図に示した静電対物レンズ（中間電極を備える界
浸レンズ）のビーム源側電極OEは、絞りとして作用する
環状部分RBと試料PRに向かって延びる中空円筒Hzを備え
る。可変正電位UMEに置かれる中間電極ME、試料側電極U
Eおよび試料PRから放出された二次電子流の強度を制御
する電極STは、この実施例ではいずれも円錐形に作られ
中空円筒Hzの軸OAに同心的に配置される。通常地電位に
置かれる試料PRを傾斜状態においても計測し投影し得る
ようにするため、円錐形電極ME、UE又はSTの側面は軸OA
に対して30°から70°の間の角αで傾斜させるのが有利
である。試料PRから放出された二次電子SEを検出する検
出器DTは、対物レンズの内部でビーム源側電極OEと中間
電極MEの間に置かれる。検出器DEは環状の電子感応性部
分から成る。この部分はセグメント構成とするのが有利
である。中空円筒Hzは中間電極よりもいくらか低い電位
UHZに置かれる（UHZ＜UME）から、ビーム軸OAに向かっ
て放出された二次電子SEも検出器DTに向かって偏向され
検出される。このレンズも高分解能走査型電子顕微鏡の
対物レンズとして有利であり、高い運動エネルギーに加
速された一次電子を所望の最終エネルギーまで制動する
のに使用される。この場合電極OEは例えばビーム発生器
の陽極電位に置かれ、電極UEは試料PRの電位即ち通常規
準電位に置かれる。中間電極MEの電位UMEは、この場合
1.1UOEから2.5UOEの間で調整可能としなければならな
い。
この発明は図示の実施例に限定されるものではなく、
例えば円錐形電極OEの代わりに管状電極を使用すること
も可能である。ただしこの場合管の直径は、対物レンズ
内部に発生した発散二次電子束の最大断面直径よりも大
きくすることが必要である。電極UEの代わりに下側の磁
極片を界浸レンズの第２の電極とすることも可能であ
る。
一次電子のエネルギーをこの発明による対物レンズを
使用して少なくとも1/2に低下させると、走査型電子顕
微鏡の分解能の著しい改善が期待される。
【図面の簡単な説明】
第１図ないし第４図は走査型電子顕微鏡に使用されるこ
の発明の４種の実施例の断面を示す。 ML…磁気レンズ OE/UE…界浸レンズ ST…二次電子流強度制御電極 DT…検出器 PR…試料
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01J 37/12 H01J 37/141 H01J 37/244 H01J 37/28

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１電極（OE）及び第２電極（UE）より成
    る静電界浸レンズで荷電粒子を集束する対物レンズであ
    って、これらの電極に、荷電粒子（PE）が上記界浸レン
    ズの電界内で第１エネルギからそれより十分に低い第２
    エネルギに減速されるような電位（UOE，UUE）が加えら
    れるものにおいて、 上記界浸レンズ（OE/UE））と試料（PR）との間のビー
    ム進路内に配置され、上記試料（PR）から放出され検出
    器（DT）の方向に加速される２次粒子（SE）流の強度を
    制御するように構成された第３の電極（ST）を更に具え
    ることを特徴とする荷電粒子集束用対物レンズ。
  2. 【請求項２】上記界浸レンズ（OE/UE）に１つの磁気レ
    ンズ（ML）が重ねられることを特徴とする請求項１の対
    物レンズ。
  3. 【請求項３】上記界浸レンズが中間電極（ME）を備え、
    該中間電極（ME）と上記第２電極（UE）が円錐形に作ら
    れ、円錐形の上記第３電極（ST）が上記第２電極（UE）
    の真下に設けられることを特徴とする請求項１の対物レ
    ンズ。
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