JP4291827B2 - 走査電子顕微鏡又は測長ｓｅｍの調整方法 - Google Patents

Description

本発明は電子線装置のビームスポットを最小化する技術に関するもので、特に走査形電子顕微鏡（ＳＥＭ）、測長ＳＥＭ（ＣＤ−ＳＥＭ）、電子線描画装置等に関する。

半導体デバイスのパターン寸法を高精度で計測する測長ＳＥＭなどの装置では、近年のデバイスパターンの微細化により、３〜１ｎｍ程度の分解能を、試料を破壊しないよう加速電圧１ｋＶ以下の電子ビームで達成することが必要になっている。このためには電子ビームを試料面上に所望の分解能以下の径で収束させる必要がある。このような低加速の場合、第１に問題となるのが対物レンズの色収差である。この色収差を低減するために、対物レンズの設計を工夫し色収差を小さくすることは、既にいろいろ試みられている。

１９９０年代には電子の加速電圧をＶ_ｒだけ高くしてより高いエネルギーで対物レンズを通過させる一方、試料に−Ｖ_ｒの電圧を印加して電子を減速し、試料入射時の電子線エネルギーを低いままに抑えるリターディングの手法が行われるようになった。この手法によると、Ｖ_０を電子銃部での電子加速電圧として、式（１）に示す割合で色収差は減少する。

しかし、Ｖ_ｒがあまり大きいと試料が電界により破壊されるため、かけられるＶ_ｒには限界があった。そのほかに放出エネルギー幅の小さい電子源を使えばその分色収差は減るが、現在は電界放出電子銃（放出電子エネルギー幅０．３ｅＶ程度）、ショットキー電子銃（０．６ｅＶ程度）などが使われており、これらより小さい放出電子エネルギー幅と安定性をもつ電子源が探索されている段階である。

このような新しい電子源がまだ実用化されていないので、現在上記の方法による色収差低減は限界にきている。

これを解決する方法として、モノクロメーターの使用と収差補正器による色収差低減の二つの方法が注目されている。このうち多極子レンズを組み合わせて収差補正器を構成し対物レンズの収差を打ち消すことができることは１９４７年にＳｃｈｅｒｚｅｒにより提唱され１９７０年代にはすでに具体的な構成が非特許文献１、あるいは、非特許文献２に発表されている。最近この技術が電磁界複合型４重４極子／８極子の収差補正器を使い実験的に検証された（非特許文献３）。

この型の収差補正器の動作の概略を図４により説明する。収差補正器１０は、４極子場と８極子場を重畳して発生させるために、多極子レンズ１１、複合型多極子レンズ１２、複合型多極子レンズ１３、多極子レンズ１４から構成される。収差補正器１０内では４極子場のために光軸（ｚ軸）に垂直な２方向（ｘ軸、ｙ軸）で各々、収束作用と発散作用が生じて近軸軌道を分離させる。図４では電子ビームの軌道を細線にて模式的に示した。クロスオーバー４１より発する電子線は収差補正器１０の初段の多極子レンズ１１によりｘ方向の軌道（ｘ軌道）は発散（図中の矢印１つの軌道）、ｙ方向の軌道（ｙ軌道）は収束（図中の矢印２つの軌道）され、分離する。任意の方向の軌道はこれらｘ軌道、ｙ軌道の線形結合として考えることができる。第２段の複合型多極子レンズ１２は４極子電場と、ｘ−ｙ面内で左記４極子電場に比べ光軸に対し４５°回転した４極子磁場を発生させることができ、ｘ−ｙ面内で電場、磁場を複合して印加できる。ｙ軌道は複合型多極子レンズ１２の中心付近でクロスするように第１段の多極子レンズ１１が励起される。このときｘ軌道は最大に離軸しており、複合型多極子レンズ１２の中心でｘ方向に延びた線状クロスオーバー４２を形成する。複合型多極子レンズ１２の４極子の励起は第３段の複合型多極子レンズ１３の中心付近でｘ軌道がクロスするように調整されている。このときの線状クロスオーバー４３はｙ方向に伸びた線状をしている。第４段の多極子レンズ１４を経て分離したｘ軌道とｙ軌道はクロスオーバー４４にて一致する。クロスオーバー４１がスティグマティックにクロスオーバー４４に結像されるように収差補正器１０を動作させる。

このとき収差補正器１０においては、複合型多極子レンズ１２を、基準となるエネルギーをもつ入射電子に働く合力を変化させないという拘束条件のもとで、電場と磁場の４極子場の強さの比を変えて励起することができる。この場合、基準とずれたエネルギーをもった電子はその速度が基準となるエネルギーをもつ電子と異なっているので、電場と磁場の強さの比が変わると働く力が変わり軌道がずれる。このずれは光軸から離れているｘ方向で大きく、多極子場の中心をめがけて通るｙ方向はほとんど影響されない。複合型多極子レンズ１３を通るときはこの関係がｘ、ｙ逆になる。つまり複合型多極子レンズ１２、１３において電場と磁場の４極子場の強さの比を変えることによりｘ方向、ｙ方向、独立に入射エネルギーのずれたものだけ軌道を変えることができる。

このことを利用して、収差補正器１０であらかじめ、後に続く対物レンズの色収差を相殺する量だけ、エネルギーの高い電子の軌道を外側に、エネルギーの低い電子の軌道を内側にずらしておいて色収差を相殺する。レンズ１１から１４までの多極子レンズで４極子場に加えて８極子場を発生させることにより、非特許文献３の３．７節に記載のごとく球面収差も補正することが可能である。

これらの公知例においては４極子場と８極子場を重畳するために１２極子を使っている例が示されている。これらの公知例では収差補正器そのもので生じる高次収差をも低減する観点で電子光学系が構成されているが、微小プローブを形成することが必要であるため、電子線装置に収差補正器を組み込みんだ場合に、装置全体の総合的な軸合わせが困難である。

特開２０００−１９５４５３号公報 Optik 33(1971)１〜２４ページ Optik 83(1989)３０〜４０ページ Nuclear Instruments and Methods in Physics Research，A 363 (1995)，３１６〜３２５ページ

このような収差補正器を電子線装置に導入する場合、収差補正器内の４段の４極子ないし８極子の励起や軸ずれを調整し、同時に装置のその他の部分の電子光学軸まで合わせるのは煩雑で時間がかかる。その理由は試料の２次電子像を観察しても収差補正器単体の軸合わせ不良と収差補正器以外の部分の軸合わせ不良による像の劣化が、渾然一体となり、原因の切り分けがつかないからである。

本発明では収差補正の効果が容易に確認でき、その調整手順を短縮でき、使いやすい収差補正器付電子線装置を提供する。

本発明の収差補正器付電子線装置においては、電子線装置が備える各レンズおよび収差補正器を制御するコンピュータが、収差補正器を動作させる走査モードと、収差補正器を動作させない走査モードとを持ち、その両モードで対物レンズの物点位置が変わらないように、収差補正器を制御する。あるいはコンデンサーレンズの励磁と収差補正器の動作を連動させることにより、両モードで対物レンズの物点位置が変わらないように、収差補正器を制御する。上記二つのモードでレンズ、偏向器および収差補正器等の連動動作を可能ならしめるため、レンズ、偏向器および収差補正器等の電源をコンピュータで統一的にコントロールするシステムを構築する。

このような構成によれば、まず収差補正器を動作させない走査モードにおいて、対物レンズへの入射軸合わせや、フォーカス、非点などのビーム収束に必要な通常の調整が一通り実行できる。引き続き収差補正器を動作させる走査モードに切り替える。このモードでは対物レンズの物点を動かさないので、像倍率やフォーカスは変わらない。この結果、収差補正器が電子ビームに与える効果のみを、この手順の前後での２次電子像や描画パターンの変化から評価することができる。つまり、この段階での各種収差によるプローブ径の増大や変形は、収差補正器の調整の不完全さによるものと切り分けができる。そこで次に収差補正器の各多極子の励起を個別に微調整して、最終的に対物レンズの色収差や球面収差を相殺して最小プローブ径、最良の分解能を得ることができる。収差補正器の調整とそれ以外の対物レンズ軸合わせの調整を独立におこなうことにより軸合わせのプロセスが簡略化され装置全体の調整手順が短縮される。

本発明によれば、収差補正器のＯＮ／ＯＦＦにかかわらず、対物レンズの結像条件を一定に保てるので、収差補正の効果が容易に確認でき、収差補正器の調整操作が容易に行なえる。装置全体の調整手順を短縮でき、装置稼働率の高い収差補正器付電子線装置を提供することができる。

図１に本発明が適用される収差補正器付電子線装置の一例の構造の概要を示す。ショットキー電子源１はタングステンの単結晶に、酸素とジルコニウムなどを拡散させショットキー効果を利用する電子源で、その近傍にサプレッサー電極２、引き出し電極３が設けられる。ショットキー電子源１を加熱し、引き出し電極３との間に＋２ｋＶ程度の電圧を印加することにより、ショットキー電子源１よりショットキー電子を放出させることができる。サプレッサー電極２には負電圧が印加されショットキー電子源１の先端以外から放出される電子を抑制する。引き出し電極３の穴を出た電子は第１陽極４、第２陽極５で形成される静電レンズにより加速、収束される。続いて第１コンデンサーレンズ６、コンデンサー絞り（図示せず）にてビーム径を制限され、第２コンデンサーレンズ７、および上偏向コイル８、下偏向コイル９を通り所望の角度で収差補正器１０に入射する。収差補正器１０は多極子レンズ１１、複合型多極子レンズ１２、複合型多極子レンズ１３および多極子レンズ１４を光軸を共通軸として配置したものである。色収差を補正しようとする場合には光軸に垂直な面内に、多極子レンズ１１および１４により４極子電場あるいは４極子磁場、複合型多極子レンズ１２および１３により４極子電場およびｘ−ｙ面内で左記４極子電場に比べ光軸に対し４５°回転した４極子磁場を形成する。これらの場は４極、８極、あるいは１２極の電極（磁極を兼ねてもよい）を用いて形成する。色収差だけでなく球面収差まで補正しようとする場合は、上記電極で４極子場の他に８極子場を形成して重畳する。この場合は多極子レンズは８極子や１２極子が必要である。収差補正器１０により対物レンズ１７と相殺する色収差や球面収差を与えられた電子ビームは上走査コイル１５、下走査コイル１６を経て対物レンズ１７にて、試料１８上に収束、走査される。

走査顕微鏡として使用する場合には、２次電子や反射電子を検出し画像化する機構が取り付けられるが、ここでは図示していない。対物レンズ１７は磁界型あるいは電界型あるいは電界磁界複合型の回転対称のレンズが用いられる。電子ビームによる試料破壊を防ぎ、収差を減らすために、試料１８と対物レンズ１７の間で電子が減速されるようにリターディング電源２９にて試料１８に電圧をかける場合もある。上に説明した電子線装置の部品はすべて真空容器１９に格納され、真空外の各々の電流源や電圧源（２０〜２９）とコネクターを通じて電気的に繋がっている。真空容器１９内の各部品の支持法については簡単のため図示していない。これらの電源をコンピュータ３０を通じてコントロールすることにより電子ビームを発生させ、走査など制御することができる。

（実施例1）
図２は、本発明の第1の実施例を説明する図である。図１に示す収差補正器付電子線装置の構成を基本として、電子ビーム軌道に着目して、実施例１による制御を説明する。

ショットキー電子源１で放出された電子は、最初実線の軌道に沿い、第１陽極４、第２陽極５間で加速され、第１コンデンサーレンズ６、コンデンサー絞り３９、第２コンデンサーレンズ７により収束されて収差補正器１０に達する（コンデンサーレンズは必ずしも２つ必要ではない）。収差補正器１０を動作させない走査モード（ＯＦＦモード）においてはｘ軌道、ｙ軌道は分離せず収差補正器１０内を図中の破線の軌道に沿って直進し４４の位置にクロスオーバーを形成する。これが対物レンズ１７の物点になる。

この状態での最高分解能を得るように、対物レンズ１７の電流中心を電子ビームが通るよう、対物アライナー３８を調整する。この手法は確立されているが厳密には対物レンズ１７へ斜め入射になる。この段階で発生する非点収差、像面湾曲収差は非点補正コイル３６により補正可能であり、歪曲収差は像ボケの原因にならない。コマ収差、倍率色収差を総合的に見て最小にするような軸合わせをしていると考えられる。さらに、特許文献１に開示されるような方法によれば、対物レンズ１７への斜め入射に起因するこれらの収差をなくせるが、球面収差と軸上色収差は最後まで残存している。

ＯＦＦモードにおいて軸調整を終了させた後、そのままの状態で収差補正器１０を動作させる（ＯＮモード）。この状態では、収差補正器１０に第２コンデンサーレンズ７により収束されて入射した電子は、図４を参照して説明したように、収差補正器１０内でｘ、ｙ方向で分離し、図２中の実線で記された近軸軌道に沿って進む、このとき収差補正器１０は４４の位置にクロスオーバーを形成するように各多極子レンズの強さが設定されている。実際にこのようにするために、収差補正器１０の各段の４極子場の強さは数値計算により以下のような考え方で決定することができる。ここでは簡単のために多極子レンズ１１と複合型多極子レンズ１２の間隔および複合型多極子レンズ１３と多極子レンズ１４の間隔をゼロとし、多極子レンズの電極、磁極形状を双極線型として高次の場は考えず、解析的計算式を明示するが実際はこれらの多極子間距離を有限にし、電極、磁極形状を入力して以下と同様の考え方で計算機シミュレーションにより場を求める。

４極子レンズの近軸軌道方程式は、ｚ方向を光軸方向として式（２）および（３）のようにあらわされる。

ここに、β^２は式（４）で表される。

ｋ（ｚ）はｚ方向の場の分布、φ_２は４極子磁場の強度、φ_２は４極子電場の強度、φは軸上の電位を表し、電極に加える電圧およびコイル電流により決まる。各段についてβ_ｉ（ｉ＝１〜４）を求めればよい。実際には無次元パラメータθ_ｉ＝β_ｉＬを求める。ここにＬは各電極のＺ軸方向の厚み、多極子レンズ１１にはθ_１、複合型多極子レンズ１２にはθ_２、複合型多極子レンズ１３にはθ_３、多極子レンズ１４にはθ_４が対応する。ここで、第２コンデンサーレンズ７、対物レンズ１７、収差補正器１０、クロスオーバー４４の位置は与えられているものとする。

以上の条件で４つの変数（θ_１〜θ_４）を以下の各式のように計算し各段の４極子の強さを決める。

１）収差補正の可能な条件として、図４を参照して説明したように、ｙ軌道が２段目の複合型多極子レンズ１２の中心を通ることより式（５）の条件が得られる。

ここにａ×Ｌは複合型多極子レンズ１２と複合型多極子レンズ１３間の距離、ｐ×Ｌは多極子レンズ１４下端面を通る光軸に垂直な面とクロスオーバー４４間の距離である。

２）収差補正器１０には円錐形収束ビームが入射するから、ｘ軌道、ｙ軌道の収差補正器１０上端面での座標と傾きの関係から式（６）および式（７）の条件が得られる。

３）収差補正器１０のＯＮ／ＯＦＦにかかわらずクロスオーバー４４の位置が一定で、その点でｘ、ｙ軌道が傾きも含めて一致するスティグマティックな結像条件から式（８）が得られる。

４）以上４つの式より数値的にθ_１〜θ_４を求め、近軸軌道が決定される。これらの条件では線状クロスオーバー４３は複合型多極子１３の厳密に中央で形成されるわけではない。解の存在は自明ではない。ａやｐの値によっては上記４つの式を同時に満たすθ_１〜θ_４は存在しないこともある。その場合はｘ軌道とｙ軌道のクロスオ−バー位置が一致せず、クロスオーバー４４でのスティグマティックな結像ができないので収差補正することができないことを意味する。この場合はクロスオーバー４４の位置設定をずらしてｐの値を変えたり、収差補正器の複合型多極子レンズ１２と複合型多極子レンズ１３間の距離を変えるなどθ_１〜θ_４の解が存在するように装置の設計を考慮して対処する。

５）上記４）で求まったθ_２、θ_３の大きさを変えずに、４極子電場と４極子磁場の強さの比を変えて、エネルギーの異なる入射電子線についてクロスオーバー４４での色収差によるボケ量を計算し、対物レンズ１７の色収差（既知）を相殺するように電場と磁場の強さの比を決める。

６）球面収差まで補正する場合は、上記条件で収差補正器１０の球面収差を計算し、対物レンズ１７の球面収差（既知）を相殺するように、多極子レンズ１１〜１４各々で８極子場を重畳して補正する。このときθ_１〜θ_４は変わらないので近軸軌道は変わらない。

以上の手順で、図２のような対物レンズ１７の物点を一定にしたまま収差補正器１０のＯＮモードでの動作条件（各４極子場、８極子場の励起条件）が決定できる。

次に、この状態でＯＦＦモードの場合よりも良い分解能が得られなければ、その原因は収差補正器１０の調整不足にあるから、例えば、前述した非特許文献３の３１９ページ、第３節に記載の方法により、収差補正器１０の軸合わせ調整をすることにより残存している対物レンズ１７の球面収差と色収差を補正して、総合的に最良の分解能が得られる。

（実施例２）
図３に本発明の実施例２を示す。この例では収差補正器１０のＯＦＦモードの場合は、実施例１と同様、コンデンサーレンズ７を弱励磁で使い（破線）、対物レンズ１７の物点となるクロスオーバー４４を収差補正器１０の後側に結ぶ。第２コンデンサーレンズ７の強励磁／弱励磁の切替と収差補正器１０のＯＮ／ＯＦＦをコンピュータ３０により連動させて、ＯＮモードのときは第２コンデンサーレンズ７を強励磁で使い、収差補正器１０の前側にクロスオーバー４１を形成する（実線）。それを収差補正器１０によりクロスオーバー４４の位置にスティグマティック結像させて対物レンズ１７の物点とする。収差補正器１０のＯＮモードの場合、クロスオーバー４４までのスポットのトータル倍率が、収差補正器１０のＯＦＦモードの場合より小さいことが必要である。さもないと収差補正器１０がうまく軸調整できても収束スポット４５の径がもともと大きいので分解能が向上しない。

このような収差補正器１０の使い方では、多極子レンズ１１と多極子レンズ１４および複合型多極子レンズ１２と複合型多極子レンズ１３の組が対称性よく励起されるので収差補正器１０自体が持つ球面収差が第１の実施例の場合よりも小さくなり球面収差補正をするための８極子場の強度を小さくできる利点がある。

本発明が適用される収差補正器付電子線装置の一例の構造の概要を示す図である。 実施例１の収差補正器付電子線装置の電子光学系を説明する図である。 実施例２の収差補正器付電子線装置の電子光学系を説明する図である。 従来の収差補正器内での電子光学系を説明する図である。

符号の説明

１…ショットキー電子源、２…サプレッサー電極、３…引き出し電極、４…第１陽極、５…第２陽極、６…第１コンデンサーレンズ、７…第２コンデンサーレンズ、８…上偏向コイル、９…下偏向コイル、１０…収差補正器、１１…多極子レンズ、１２…複合型多極子レンズ、１３…複合型多極子レンズ、１４…多極子レンズ、１５…上走査コイル、１６…下走査コイル、１７…対物レンズ、１８…試料、１９…真空容器、２０…電子銃電源、２１…制御電圧源、２２…加速電圧源、２３…第１コンデンサーレンズ電源、２４…第２コンデンサーレンズ電源、２５…偏向コイル電源、２６…収差補正器電源、２７…走査コイル電源、２８…対物レンズ電源、２９…リターディング電源、３０…コンピュータ、３５…非点補正コイル電源、３６…非点補正コイル、３７…対物アライナー電源、３８…対物アライナー、３９…コンデンサー絞り、４０…クロスオーバー、４１…クロスオーバー、４２…線状クロスオーバー、４３…線状クロスオーバー、４４…クロスオーバー、４５…収束スポット。

Claims (8)

1. 電子ビームを発生する電子銃と、対物レンズと、対物アライナと、前記対物レンズに入射する電子ビームの色収差又は球面収差を補正する収差補正器とを有する走査電子顕微鏡の調整方法において、
   前記収差補正器の動作をＯＦＦにした状態で、前記対物レンズの電流中心を該電子ビームが通るように前記対物アライナを調整し、
   前記対物アライナの調整後に、前記収差補正器の動作をＯＮにした状態とし、前記収差補正器の調整を行うことを特徴とする走査電子顕微鏡の調整方法。
2. 電子ビームを発生する電子銃と、対物レンズと、対物アライナと、前記対物レンズに入射する電子ビームの色収差又は球面収差を補正する収差補正器とを有する測長ＳＥＭの調整方法において、
   前記収差補正器の動作をＯＦＦにした状態で、前記対物レンズの電流中心を該電子ビームが通るように前記対物アライナを調整し、
   前記対物アライナの調整後に、前記収差補正器の動作をＯＮにした状態とし、前記収差補正器の調整を行うことを特徴とする測長ＳＥＭの調整方法。
3. 請求項１に記載の走査電子顕微鏡の調整方法において、
   前記収差補正器を調整した後の二次電子画像の分解能が、前記収差補正器をＯＦＦにした状態の分解能よりも高い分解能が得られない場合に、前記収差補正器の軸合わせ調整を行うことを特徴とする走査電子顕微鏡の調整方法。
4. 請求項２に記載の測長ＳＥＭの調整方法において、
   前記収差補正器を調整した後の二次電子画像の分解能が、前記収差補正器をＯＦＦにした状態の分解能よりも高い分解能が得られない場合に、前記収差補正器の軸合わせ調整を行うことを特徴とする測長ＳＥＭの調整方法。
5. 請求項１又は３に記載の走査電子顕微鏡の調整方法において、
   前記収差補正器をＯＦＦにした状態では、前記収差補正器を基準として試料側に該電子ビームのクロスオーバーを形成し、
   前記収差補正器をＯＮにした状態では、前記収差補正器を基準として前記電子銃側に該電子ビームのクロスオーバーを形成することを特徴とする走査電子顕微鏡の調整方法。
6. 請求項２又は４に記載の走査電子顕微鏡の調整方法において、
   前記収差補正器をＯＦＦにした状態では、前記収差補正器を基準として試料側に該電子ビームのクロスオーバーを形成し、
   前記収差補正器をＯＮにした状態では、前記収差補正器を基準として前記電子銃側に該電子ビームのクロスオーバーを形成することを特徴とする測長ＳＥＭの調整方法。
7. 請求項１、３、５のいずれかに記載の走査電子顕微鏡の調整方法において、
   前記収差補正器は、４極、８極、あるいは１２極の電極の多極子レンズが多段に積層されていることを特徴とする走査電子顕微鏡の調整方法。
8. 請求項２、４、６のいずれかに記載の測長ＳＥＭの調整方法において、
   前記収差補正器は、４極、８極、あるいは１２極の電極の多極子レンズが多段に積層されていることを特徴とする測長ＳＥＭの調整方法。

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