JP4686385B2 - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：以下、ＳＥＭと略す）に関わり、特に低加速時における高分解能観察が可能なＳＥＭ技術に関する。

従来のＳＥＭでは磁界型の対物レンズが採用され、高分解能化の観点からはレンズの短焦点化に工夫が成されている。

特許文献１では、試料は対物レンズの磁極間に配置され、短焦点化が図られている。また薄膜試料の場合はＳＥＭ画像ばかりでなくＳＴＥＭ（透過型走査電子顕微鏡；Scanning Transmission Electron Microscope）画像が有用であることが開示されている。特許文献２では、対物レンズの内側磁極および外側磁極のいずれもが試料に対し、電子銃側に配置され、試料は両磁極が試料側に形成する漏洩磁界（あるいは磁束）の中に配置される。特許文献３では、図２に示すように対物レンズ１３の内側磁極１３ａおよび外側磁極13ｂのいずれもが試料１２に対し、電子銃とは反対側に配置されている。これにより、対物レンズ１３が発生する磁場強度を試料上で十分強くなるように磁路ギャップを配置している。また、対物レンズの試料搭載側部を平面形状から凸形状にすることにより半導体ウエハ試料などが傾斜できることも開示されている。いずれの形状の対物レンズにおいても、試料１２と二次電子検出器１０の間に二次電子の飛行を遮る構造物が全く無いため、二次電子の収集率としてほぼ１００％を達成している。特許文献４では、図２と同様な対物レンズ、つまり、試料に対し電子銃と反対側に設置されており、その内側磁極は試料に向かってと突き出している対物レンズが開示されている。しかし、外側磁極に接続された試料側の金属板はステンレススチルのような非磁性材料であり、磁束を試料近傍に制限する構造となっていない。

非特許文献１では、図３に示すようにシュノーケルレンズと記載されているレンズが本発明に関連する従来対物レンズであり、そこには内側磁極１３ａの端部近傍の磁束密度を増大するために円錐台形状にすることが開示されている。

特開平２００４−２１４０６５号公報 特開平８−２２７６７８号公報 特開平６−１８１０４１号公報 USP 3,870,891 E. Munro and O.C. Wells (1976), Scanning Electron Microscopy／1976 (Part 1) p.27

本発明の目的は、特許文献３と非特許文献１に開示されている対物レンズ、つまり、対物レンズの内側磁極と外側磁極より電子銃側に、試料を配置する対物レンズにおいて、高分解能化（低収差化）を実現することにある。

上記の課題を解決するための磁界型レンズの設計基本方針は、レンズの光軸上磁束密度分布Ｂ（ｚ）において如何にしてＢを強く、かつレンズの厚み（つまりＢ分布のｚ幅）を薄くするかに尽きる。そのためには対物レンズ１３の内側磁極と外側磁極の形状や配置を見直し、試料上の電子ビーム照射部近傍のみに磁界を集中させる必要がある。そのためには先ず図４に示すように内側磁極１３ａを円錐台形状にし、試料１２はその円錐台の台側近くに配置する。これにより、円錐台磁極から出る磁力線を試料上の電子ビーム照射部近傍に集中させることができる。次に、Ｂ（ｚ）分布幅を狭めるために、外側磁極１３ｂのその磁極断面を内側磁極側で薄くなるテーパ形状にして内側円錐台磁極の台を目指して最近接させ、円錐台磁極から出て試料を通過した磁力線２０を電子銃側に大きく張り出さないように取り込むのである。ただし、テーパ部の厚さは磁気飽和を起こさない程度に確保しておく必要がある。

内側円錐台磁極とテーパ断面形状の外側磁極との組合せにより、レンズ磁束密度分布
Ｂ（ｚ）を強く、かつその分布ｚ幅が狭くできるため、従来にない低収差対物レンズが実現できる。これにより高分解能のＳＥＭ観察が可能になる。

以下に図面を用いて、本発明の一例を説明する。

本発明の第一の実施例である走査電子顕微鏡の装置構成を説明する（図１参照）。電界放出形電子銃２に対して３〜６ｋＶの電圧を引き出し電極３印加して、電子線１を引き出し、加速電極４により０.５ 〜３０ｋＶに加速（あるいは減速）される。電子線１は理想光軸（偏向を受けないときの電子線の通過軌道）に沿って加速される。

加速された電子線１は、第一の集束レンズ５によって集束され、対物レンズ絞り６によりビームの不要な部分が除かれる。対物レンズ絞り６を通過した電子線１は第二の集束レンズ７と第一の対物レンズ１１による第一の組合せ、あるいは第二の集束レンズ７と第二の対物レンズ１３による第二の組合せによって試料１２上に絞られる。この細く絞られた電子線１は二段の偏向コイル８により試料上で二次元的に走査される。試料から放出された二次電子（または反射電子）１４は第一の対物レンズ１１内に配置された二次電子加速電極１７によって光軸の周りを大きく広がることなく加速状態で電子銃２側に引き上げられた後、ＥｘＢフィルター９で光軸外に外されて二次電子検出器（又は反射電子検出器）１０で検出される。ただし、反射電子の場合は、正確には、一旦、反射電子を引き上げた後に変換板（図表示なし）に衝突させて二次電子を発生させて変換し、その変換二次電子がＥｘＢフィルター９で光軸外に外されて二次電子検出器（又は反射電子検出器）１０で検出されることになる。

二次電子検出器（又は反射電子検出器）１０で検出された検出信号は、増幅器で増幅され、偏向コイル８の偏向信号と同期した走査像の輝度信号に用い、ＳＥＭ画像として像表示装置（例えば、ＣＲＴや液晶の表示画面）２２に形成される。第二の集束レンズ７と第二の対物レンズ１３による第二の組合せは、特に、加速電圧が０.５〜５ｋＶの低加速時における高分解能観察モードの場合に用いるものである。一方、第二の集束レンズ７と第一の対物レンズ１１による第一の組合せは、加速電圧が０.５〜３０ｋＶにおける通常の観察モードの場合に用いるものである。０.５〜５ｋＶの低加速時における高分解能観察モードでは、特に低倍率のＳＥＭ観察ができるのが特長である。第一の対物レンズ１１と第二の対物レンズ１３は同時に動作させることはなく、モード毎にモード切り替え手段２０にて切り替えられる。

試料１２の厚さが約０.２μｍ 以下の薄膜の場合は、約１５〜３０ｋＶ以上の高加速電圧の電子ビームは試料１２を透過する。透過電子１５は電子の入射方向に対し散乱角の大きい散乱電子と小さい非散乱電子に分けられそれぞれ暗視野および明視野の検出器で検出される。透過電子検出器１６は暗視野および明視野の検出器を合わせたものである。これらからの検出信号を輝度信号として利用すればＳＥＭ画像と同様なＳＴＥＭ画像が得られる。対物レンズ１３の第１内側磁極１３ａには透過電子１５通過用の孔が設けられ、試料１２側近傍の孔形状を円錐とし、その円錐頂角は６０〜９０°の範囲にある。第１内側磁極１３はその磁極端面が、電界放射形電子銃２に向かって形成されており、理想光軸に対し垂直な磁極端面を備えている。

散乱電子ビームを用いる暗視野画像では、散乱角としてより広角の散乱電子の検出が好ましいことが経験的にわかっているが、テーパ断面形状の外側磁極１１ｂとの空間的干渉制約から孔円錐の頂角は６０°〜９０°が最適である。ＳＴＥＭ観察を取り込まないＳＥＭ装置においては、もちろんこの円錐孔は本質的には不必要であるが、薄膜試料のＳＥＭ観察において、透過電子１５の円錐台磁極からの背面散乱電子に起因したノイズ発生の抑止観点からは、径の細い円柱孔にしろ設けておくのが好ましい。

次に、軸上磁束密度分布Ｂ（ｚ）分布における内側磁極１３ａの台径Ｄ［mm］，外側磁極１３ｂの内径ｄ［mm］，外側磁極１３ｂの内側磁極１３ａに対する突き出し量ｚ_L［mm］の影響について述べる。前述のパラメータ（Ｄ,ｄ、およびｚ_L）および他のパラメータ（内側磁極１３ａの外径Ｄ_out［ mm］および円錐半頂角α［°］、外側磁極１３ｂの外径ｄ_out ［mm］）を図５に示す。代表的なＢ（ｚ）分布および球面収差係数Ｃｓ［mm］および色収差係数Ｃｃ［mm］のｄ依存性をそれぞれ図６および図７に示す。ただし、（α，
Ｄ，ｚ_L）＝(４５，２，０)および(Ｄ_out，ｄ_out) ＝（２０，６０）である。試料は内側磁極１３ａの台面をｚ原点とし、その電子銃側手前０.５mm（つまり、ｚ＝−０.５）位置に置く。ｄ＝５，６，８，１２はｄ／Ｄ＝２.５，３，４，６ に対応する。Ｄ_out およびｄ_out はＤおよびｄに比べては数倍以上大きく、図６や図７の特性カーブには余り影響を与えない。そこで、Ｃｓ，Ｃｃ，ｄおよびＤ間にはスケーリング則が成立し、そこでは、例えばｄ／Ｄをある特定値に固定してＤを２倍に大きくすれば、Ｃｓ，Ｃｃも２倍に増大することになる。図６において重要なポイントは、ｚ＝−２mm位置において、つまり円錐台磁極の台面から台径Ｄ離れた点Ｐを支点としてＢ（ｚ）分布カーブはｄ／Ｄの増減
（２.５ ⇔６）に対しシーソの様に変化する。ｄ／Ｄが小さくなるほど、Ｂ（ｚ）分布は急峻になって分布幅が狭くなり、図７に示すように収差係数ＣｓおよびＣｃも小さくなる。実配置の観点からは、外側磁極１３ｂのその磁極断面を内側磁極側で薄くなるテーパ形状にして内側円錐台磁極の台を目指して最近接させるにはｄ／Ｄが４以下であることが必要であり、かつ、円錐台磁極の持つ低収差特徴を活かすにはＤは６mm以下であることが必要である。領域Ｄ＞６mmでは、条件ｄ／Ｄ＝2.5下でも（Ｃｓ，Ｃｃ）は（１.１,２.０）と大きくなり、従来対物レンズと同等になってくるからである。

次に、Ｂ（ｚ）分布のｚ_L 依存性を図８に示す。ただし、ｄ＝２で他パラメータ値は図６と同じである。ｚ_Lが−１から＋２の範囲ではｚ_Lが大きいほどＢ（ｚ）分布が急峻になり好ましい。ｚ_L ＝＋４では、Ｂ（ｚ）分布カーブのｚ＝−ｄ当たりに肩ピークが発生してＢ（０）値も低下するため、レンズ磁場として好ましくない。ｚ_L＞０の領域では、円錐台磁極の台面が外側テーパ磁極より後退して凹部空間の底となるため、試料１２を円錐台磁極の台面に接近させる配置が取りづらくなる。さらに、試料１２の配置が円錐台磁極の台面から離れるにつれ、Ｂ（ｚ）分布のレンズ有効領域が小さくなる短所も伴ってくる。ｚ_L ＜０の領域では、外側テーパ磁極が内側円錐台磁極の円錐側面に最近接するため、その両磁極の最近接部近傍でＢ大きくなり磁気飽和が起こり易くなる。図９はレンズコイル１３ｃが１０００ＡＴ（コイル巻数Ｎ［Ｔ］と電流Ｉ［Ａ］の積）である時の外側磁極１３ｂと円錐孔付き内側磁極１３ａにおけるＢ分布をグレー輝度表示した代表例で、両磁極の最近接部近傍でＢが大きくなっており、その最大値Ｂmaxは約２.３Ｔである。磁極材料としてよく採用するパーメンダにおいては、その飽和磁束密度は約２.４Ｔ である。材料の磁束飽和を超えた強励磁レンズは作ればいので、試料のサイズや配置操作性を実用的観点からＢ強度とバランスさせると、ｚ_Lはほぼ０に設定するのが最も好ましい。

第二の実施例を図１０にて説明する。対物レンズ１３の内側磁極１３ａを円錐端側部
１３ａ１とその基部１３ａ３とを内側磁極電気的絶縁部１３ａ２を介して分離する。同様に外側磁極１３ｂを試料側テーパ磁極１３ｂ１とその基部１３ｂ３とを外側磁極電気的絶縁部１３ｂ２を介して直流電位的に分離する。ただし、円錐端側部１３ａ１とテーパ磁極１３ｂ１は、それぞれの基部とは磁気的には強く結合させてある。両基部を接地電位とし、一方、円錐端側部１３ａ１とテーパ磁極１３ｂ１には電位Ｖdecel を印加する。また、試料１２にも試料ホルダー（図示せず）を介して電位Ｖdecel を印加し、試料１２の電子ビーム入射側近傍に入射電子ビーム用の穴を開けたメッシュ状あるいは板状の電位シールド板１７を置き、通常、接地電位にする。この電位配置により、電子加速電位をＶacc とすると、電子ビームは電位シールド板１７と試料１２間で減速され、試料１２へは入射電圧はＶacc−Ｖdecelになる。この減速電位でもレンズ作用が働き、収差係数Ｃｓおよび
Ｃｃは小さくできる特長がある。例えば、ｚ_L が０の対物レンズにおいて錐電極台面から５mm離して電位シールド板１７を、また試料１２は０.５mm離して置いた場合、収差係数ＣｓおよびＣｃはＶdecel／Ｖaccに対し、図１１のように振舞う。例えば、試料１２への電子ビームの入射エネルギーを２００ｅＶにする場合において、電位シールド板１７を働かさない場合、つまり（Ｖdecel，Ｖacc）＝（０，−２００）［単位：Ｖ］の時の（Ｃｓ，Ｃｃ）＝（０.５４，１.１）［単位：mm］であるが、電位シールド板１７を働かして
（Ｖdecel ，Ｖacc ）を（−１０００，−８００）とすると（Ｃｓ，Ｃｃ）は（０.３０，０.３９ ）とそれぞれ（５６，３５）％に低減できる。このような低加速ＳＥＭ観察においては、この減速モード動作がビーム性能を劣化させないので高分解能観察が可能になる。

高分解能化を実現するには、電子銃２に輝度が高く、光源サイズの小さく、かつ放出電子のエネルギー幅の小さいものが必要で有り、実施例の１および２のいずれにおいても、電界放出形を採用した。電界放出形には、さらに分類して、冷陰極電界放出（ＣＦＥ），ショットキー、およびカーボンナノチューブ(ＣＮＴ)がある。最も高分解能化にはＣＦＥを、一方、最も時間的な高安定化にはショットキーを採用した。ＣＮＴはこれらの両者を兼ね備えたものとして現在、開発中のものであり、まだ実用的な信頼性が不足している。

本発明第１実施例の走査電子顕微鏡の概略構成を説明する図。 従来技術公知例の走査電子顕微鏡における断面構造概略図。 従来技術公知例の走査電子顕微鏡における断面構造概略図。 本発明の課題を解決するために採用した手段を説明する図。 本発明の円錐台磁極構造対物レンズのパラメータを説明する図。 円錐台磁極構造対物レンズにおける軸上磁束密度Ｂ（ｚ）の外側テーパ磁極内径ｄの依存性を説明する図。 円錐台磁極構造対物レンズにおける収差係数ＣｓおよびＣｃの外側テーパ磁極内径ｄの依存性を説明する図。 円錐台磁極構造対物レンズにおける軸上磁束密度Ｂ（ｚ）のｚ_L依存性を説明する図。 円錐台磁極構造対物レンズにおける外側テーパ磁極と円錐孔付き内側円錐台磁極におけるＢ分布のグレー輝度表示図。 本発明第２実施例の走査電子顕微鏡における円錐台磁極構造の対物レンズを説明する図。 収差係数ＣｓおよびＣｃのＶdecel／Ｖacc依存性を説明する図。

符号の説明

１…電子線、２…電子銃、３…引き出し電極、４…加速電極、５…第一の集束レンズ、６…対物レンズ絞り、７…第二の集束レンズ、８…偏向コイル、９…ＥｘＢフィルター、１０…二次電子検出器(又は反射電子検出器)、１１…第一の対物レンズ、１１ａ，１３ａ…内側磁極、１１ｂ，１３ｂ…外側磁極、１１ｃ，１３ｃ…レンズコイル、１２…試料、１３…対物レンズ、１４…二次電子（あるいは反射電子）、１５…透過電子、１６…透過電子検出器、１７…電位シールド液、２０…モード毎に切り替え手段、２１…電気系制御部、２２…像表示装置。

Claims (6)

1. 電子銃と、
   当該電子銃から放出される電子線を加速する加速電極と、
   加速された前記電子線を集束する第一の集束レンズと、
   前記電子線のビームの不要な部分を除く対物レンズ絞りと、
   前記対物レンズ絞りを通過した電子線を試料上に絞る第二の集束レンズと対物レンズと、
   前記試料上に絞られた前記電子線を前記試料上で二次元的に走査する偏向コイルと、
   前記試料から放出された二次電子または反射電子を検出する検出器と、
   前記検出器で検出された検出信号が増幅されＳＥＭ画像として形成される像表示装置とを備えた走査電子顕微鏡において、
   前記対物レンズは第一の対物レンズまたは第二の対物レンズであり、
   前記第二の集束レンズと前記第一の対物レンズによる第一の組合せが用いられる前記加速電極に印加される加速電圧が０.５〜３０ｋＶの通常の観察モードと、前記第二の集束レンズと前記第二の対物レンズによる第二の組合せが用いられる前記加速電極に印加される加速電圧が０.５〜５ｋＶの低加速時における高分解能観察モードとを切り替えるモード切り替え手段を備え、
   前記第二の対物レンズは、前記電子線の理想光軸に沿って且つ前記電子銃に向かって磁極端面が形成される内側磁極と、当該内側磁極との間で前記電子線を集束する磁場を形成する外側磁極を有し、前記第一の組合せのときに前記試料を通過する高加速電圧の透過電子が通過する孔を有すると共に、当該内側磁極の前記電子銃側磁極端の前記理想光軸と垂直な方向の径Ｄが６mm以下であって、且つ前記外側磁極の前記電子線通過開口径ｄと前記径Ｄとの関係が、ｄ／Ｄ≦４となるように構成され、
   前記電子銃と前記内側磁極との間に試料を配置したことを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 請求項１の記載において、
   上記第二の対物レンズを構成する上記内側磁極と上記外側磁極の両磁極は、上記試料に対し上記電子銃側と反対側にあって、
   上記内側磁極はその試料側端が円錐台形状であり、
   一方、上記外側磁極においては、該レンズ軸を含むその磁極断面が上記内側円錐台磁極に向かうテーパ形状で、その円錐台磁極の円錐側面に最近接することを特徴とした走査電子顕微鏡。
3. 上記内側磁極と外側磁極の両端面間の光軸上距離が上記内側磁極の端面外径Ｄ以下であることを特徴とする請求項２に記載の走査電子顕微鏡。
4. 上記試料から発生する二次電子信号の検出器が上記第一の対物レンズの外側磁極に対し電子銃側に設置されていることを特徴とする請求項２に記載の走査電子顕微鏡。
5. 上記第二の対物レンズの内側磁極と外側磁極のそれぞれの上記試料側部がそれらの基部とは直流電位的に分離された構造であることを特徴とする請求項２に記載の走査電子顕微鏡。
6. 上記電子銃が電界放出形であることを特徴とする請求項２に記載の走査電子顕微鏡。

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