JP4980574B2 - 電子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子線装置に関し、より詳細には、電子線を試料に照射し、それにより試料から放出される電子を検出器で検出することによって、試料の欠陥検出等の評価を、高スループットかつ高信頼性で行うことができる電子線装置に関する。

従来、長方形に成形された電子線（１次電子線）を試料に照射し、それにより試料から放出される電子（２次電子）をＴＤＩ検出器で検出する写像投影型の電子光学系を用いた電子線装置が提案されている。
また、ウィーンフィルタや４極子レンズを用いて軸上色収差を補正できるようにしたＳＥＭ及び透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）も実用化されている。

上記したように、ＳＥＭやＴＥＭにおいては、軸上色収差を補正する手段が提案され実用化されているが、これは、軸上色収差係数が１ｍｍ〜１００ｍｍ等の小さい値であるため、比較的簡単に軸上色収差補正レンズを用いて軸上色収差を低減させることが可能であるからである。
これに対して、写像投影型の電子光学系を用いた電子線装置においては、軸上色収差補正係数が数１０ｍｍ〜数ｍと比較的大きいため、軸上色収差補正レンズの長さを巨大にする必要がある。また、軸上色収差補正用に多極子レンズを用いた場合、多極子レンズのボーア径を極端に小さくする必要もあり、電極間距離が短くなるため放電を回避することが不可能なサイズになるという問題もある。

したがって、写像投影型の電子光学系を用いた電子線装置において、従来例の技術を用いて軸上色収差を補正することは必ずしも得策ではない。一方、このような写像投影型の電子光学系を用いた電子線装置において、電子光学系に生じる収差について十分に解析されておらず、したがってどのような収差を補正すれば効果的であるのか、何ら提案されていない状態であった。
さらに、従来の軸上色収差を補正する目的は、１ｎｍ〜０．１ｎｍの超高分解能を得ることが目的であった。これに対して、半導体ウエハを評価する場合、分解能は２０ｎｍ〜１００ｎｍ程度で十分であるが、ビーム電流を大きくすることが求められている。ビーム電流を大きくするには、開口角（ＮＡ）を大きくする必要がある。ＮＡが小さい場合、軸上色収差が大部分であるが、ＮＡを大きくすると、軸上色収差がそれに比例して増加し、かつ、球面収差がＮＡの３乗に比例して大きくなる。そのため、ビーム電流を大きくするためにＮＡを大きくする場合、球面収差が軸上色収差に対比して大きくなり、球面収差を補正することが必須となる。

本発明は、このような従来例の問題点に鑑み、写像投影型の電子光学系を用いた電子線装置における収差発生を解析することによってなされたものである。そして、本発明の目的は、写像投影型の電子光学系を用いた電子線装置において、軸上色収差以外の収差を低減し、かつ、軸上色収差補正手段の長さを小さくかつ内径を大きくしても、軸上色収差を十分に低減することができるようにすることである。

上記した目的を達成するために、本発明に係る、１次電子ビームを試料上に照射し、該照射により試料から放出される電子を検出することにより、試料上の情報を得るようにした電子線装置においては、
試料上に長方形の視野で１次電子ビームを照射する１次電子光学系と、
試料から放出された２次電子を写像投影光学系で拡大しかつ面検出器又は線検出器に導く２次電子光学系であって、
試料から放出された２次電子による像を形成する結像手段と、
結像手段の後段に設けられ、拡大像の球面収差を補正するウィーンフィルタと、
ウィーンフィルタと検出器との間に設けられ、ウィーンフィルタを経た電子ビームを拡大する拡大手段と
からなる２次電子光学系と
からなることを特徴としている。

上記した本発明に係る電子線装置において、一実施形態において、結像手段は２段のレンズからなり、該２段のレンズの内部に電磁偏向器を有するビーム分離器があることが好ましい。また、他の実施形態において、結像手段は、２段のレンズからなり、該２段のレンズの内の後段のレンズは、焦点距離を調整可能に構成されて、該結像手段の軸上色収差の大きさを可変とし、これにより、該軸上色収差の大きさをウィーンフィルタの軸上色収差の大きさと一致させている。
また、本発明に係る電子線装置において、ウィーンフィルタは、複数のパーマロイ板、絶縁スペーサ、励磁コイル、及び円筒形コアからなることが好ましい。
さらに、本発明に係る電子線装置において、１次電子光学系は、長方形の視野を分割した副視野毎に、試料上に１次電子ビームを照射するよう構成され、かつ検出器は、副視野毎に２次電子検出を行うよう構成されていることが好ましい。

本発明は、上記したように構成されているので、軸上色収差以外の収差（特に、球面収差）を低減することができる。また、軸上色収差補正手段の長さを小さくかつ内径を大きくしても、軸上色収差を十分に低減することができ、ウィーンフィルタの長さを短くすることができるので、電子線装置の光路長を比較的短くすることができる。また、ウィーンフィルタの内径を大きくすることができるので、電極間距離を比較的大きくすることができ、よって不要な電極間の放電を防止することができる。

図１は、本発明の一実施形態の写像投影型の電子光学系を用いた電子線装置の主要部を示している。この電子線装置においては、電子銃１から放出された電子線は、２段のコンデンサレンズ２及び３によって照射領域の大きさ及び照射電流密度が調整され、正方形等の矩形開口４で成形される。成形された矩形の１次電子ビームは、２段の照射レンズ５及び６で倍率を調整され、さらにビーム分離器７及び対物レンズ８を介して、試料９上の長方形の視野内の１つの副視野に照射される。試料９上の視野は、１次電子ビームの走査方向に例えば９個並んだ副視野に分割され、これら副視野の選択は、静電偏向器２５及び２６により行われる。１次電子ビームの照射及び２次電子ビーム検出による画像データの取得は、副視野単位で行われる。
１次電子ビームが２次電子ビームに影響を与えないようにするために、１次電子ビームがビーム分離器７を通過後も、１次電子ビームの経路が２次電子ビームの経路と異なるように設計されている。

試料９から放出された２次電子は、対物レンズ８に印加された正電圧と試料９に印加された負電圧とにより生成される加速電界で加速及び集束され、細い平行ビームとなってビーム分離器７で図１の左方向に偏向される。そして、ＮＡ開口１０により開口角が制限され、電磁偏向器１１により垂直方向に偏向され、補助レンズ１２により集束されて縮小像を生成する。その後、ウィーンフィルタ１３により軸上色収差及び球面収差が補正され、２段の拡大レンズ１４、１５を介して、ＣＭＯＳイメージセンサ部１６を構成する９個のＣＭＯＳイメージセンサの１つに結像され検出される。これにより、試料上の情報を保持した電気信号が得られる。９個のＣＭＯＳイメージセンサは、３行３列に配置され、静電偏向器２７によって、順次選択される。ＣＭＯＳイメージセンサを９個備えているので、各センサを照射している時間の９倍以内のデータ読み出し時間を必要とするＣＭＯＳイメージセンサであれば、データ読み出しによる時間の無駄を生じない。
光軸から離れた副視野から放出された２次電子ビームは、静電偏向器２８及び２９により、光軸と一致するように偏向される。

図２は、軸上色収差及び球面収差補正用のウィーンフィルタ１３の断面構造（ただし、１／４のみ）を示している。ウィーンフィルタ１３は、以下のようにして製造される。
・電極を構成するパーマロイ板１８〜２０とヨークを構成するパーマロイ円筒１７を準備し、絶縁スペーサ２２にネジ２３で固定する。
・これらパーマロイを熱処理してアニールする。
・補正用の磁場を発生させるためのコイル２１をパーマロイ板１８〜２０に巻回する。
・パーマロイ板１８〜２０及びパーマロイ円筒１７の先端をワイヤカットで高精度に加工する。
・絶縁スペーサ２２のうちの、ビーム照射可能な面、及び、その他の絶縁を保持するのに必要な面を除き、金コーティングを行う。

軸対称レンズ系の軸上色収差を補正するために、該軸対称レンズ系の軸上色収差とウィーンフィルタ１３の軸上色収差とを、符号が逆で絶対値を等しくする調整する必要がある。これら絶対値を正確に合わせるために、補助レンズ１２の励起電圧を可変とする。そして、ウィーンフィルタ１３の軸上色収差が小さい場合は、補助レンズ１２の励起電圧を調整して、２次電子ビームが図１の点線の軌道を通るようにし、ウィーンフィルタ１３の軸上色収差と軸対称レンズ系の軸上色収差との絶対値を一致させる。
このような構成のウィーンフィルタ１３を用いることにより、対物レンズの軸上色収差係数を大幅に小さくすることができる。また、ウィーンフィルタ１３の長さを短くすることができるので、電子線装置の光路長を比較的短くすることができる。また、ウィーンフィルタ１３の内径を大きくすることができるので、電極間距離を比較的大きくすることができ、よって不要な電極間放電を防止することができる。

なお、対物レンズの軸上色収差係数を大幅に小さくすることができる理由は、以下の通りである。
対物レンズの軸上色収差をウィーンフィルタで補正する場合、ウィーンフィルタにより生成される負の軸上色収差係数Ｃax(wf)と、対物レンズが作る像点での軸上色収差係数Ｃax(image)とは、絶対値が等しく符号を逆にする必要がある。対物レンズの物点（試料上の点）での軸上色収差係数Ｃax(object)は、光学系のZ軸（光軸）方向の寸法が決まれば、ほぼ決定することができる。そして、軸上色収差係数Ｃax(image)は、以下のように表すことができる。
Ｃax(image)
＝Ｍ^２（φ(wf)／φ(SE)）^３／２Ｃax(object)
ただし、Ｍは物点から像点への拡大率、φ(wf)はウィーンフィルタを通過時の電子ビームのエネルギ、φ(SE)は２次電子の初期エネルギ（試料面でのエネルギ）である。
上記式から明らかなように、拡大率Ｍを小さくするとＣax(image)を小さくすることができ、したがって、ウィーンフィルタによる軸上色収差係数を小さくすることができる。

また、ウィーンフィルタを図２に示すように１２極子にすることによって、２極電場、２極磁場、４極電場、４極磁場、６極電場、６極磁場を発生させることができる。そして、２極の電場・磁場によって、ウィーン条件（電子ビームを直進させる条件）を満たし、４極の電場・磁場によって軸上色収差を補正し、６極の電場・磁場によって球面収差を補正することができる。よって、軸上色収差とともに球面収差を補正することができる。

図１に示した電子線装置において、対物レンズ８を静電レンズではなく電磁レンズとしてＭＯＬ動作をさせることにより、副視野の移動時の収差を低減させることもできる。その他、種々の変更が可能である。

図３は、図１のレンズ８及び１２での収差特性をシミュレーションした結果である。ＮＡ開口値が３１０ｍrad以下の場合、軸上色収差（グラフ３１）が球面収差（グラフ３２）より大きいが、ＮＡ開口値が３１０ｍrad以上では、球面収差の方が大きくなる。軸上色収差のみをウィーンフィルタで補正した場合、収差特性はグラフ３８のようになり、１００ｎｍのボケを得るためには、ＮＡを１９０ｍrad以下にする必要がある。軸上色収差と球面収差の両方を修正した場合、残存収差はグラフ４０のようになり、１００ｎｍのボケを得るためには５９０ｍradまで大きくすることができる。
１９０ｍradでは、ＳＥ（２次電子）の透過率は３．５７％しか得られないのに対して、５９０ｍradでは、３０．９％の透過率が得られ、１０倍近くの透過率が得られる。したがって、写像投影型の電子光学系を用いた電子線装置において、軸上色収差のみではなく、球面収差も補正することにより、性能が大幅に向上することが分かる。
なお、図３において、グラフ３３は５次の球面収差、グラフ３４はコマ収差、３５は３次の軸上色収差、３６は４次の軸上色収差、３７は倍率色収差、３９は軸上色収差のみを補正した場合に１００ｎｍ以下のボケが得られるＮＡ開口値、４１は軸上色収差と球面収差とを補正した場合の１００ｎｍ以下のボケが得られるＮＡ開口値である。

本発明に係る第１の実施形態の電子線装置における電子光学系を示す説明図である。 図１に示した電子線装置におけるウィーンフィルタの構成を示す断面図である。 拡大光学系における収差特性を示すグラフである。

Claims (4)

1. １次電子ビームを試料上に照射し、該照射により試料から放出される電子を検出することにより、試料上の情報を得るようにした電子線装置において、
   試料上に長方形の視野で１次電子ビームを照射する１次電子光学系と、
   試料から放出された２次電子を写像投影光学系で拡大しかつ面検出器又は線検出器に導く２次電子光学系であって、
   試料から放出された２次電子による像を形成する結像手段であって、２段のレンズからなり、該２段のレンズの内の後段のレンズは、焦点距離を調整可能に構成されて、該結像手段の軸上色収差の大きさを可変とし、これにより、該軸上色収差の大きさをウィーンフィルタの軸上色収差の大きさと一致させる結像手段と、
   結像手段の後段に設けられ、拡大像の球面収差を補正するウィーンフィルタと、
   ウィーンフィルタと検出器との間に設けられ、ウィーンフィルタを経た電子ビームを拡大する拡大手段と
   からなる２次電子光学系と
   からなることを特徴とする電子線装置。
2. 請求項１記載の電子線装置において、結像手段は、２段のレンズからなり、該２段のレンズの内部に電磁偏向器を有するビーム分離器があることを特徴とする電子線装置。
3. 請求項１又は２に記載の電子線装置において、ウィーンフィルタは、複数のパーマロイ板、絶縁スペーサ、励磁コイル、及び円筒形コアからなることを特徴とする電子線装置。
4. 請求項１〜３いずれかに記載の電子線装置において、１次電子光学系は、長方形の視野を分割した副視野毎に、試料上に１次電子ビームを照射するよう構成され、かつ検出器は、
   副視野毎に２次電子検出を行うよう構成されていることを特徴とする電子線装置。

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