JP5909547B2

JP5909547B2 - 走査型荷電粒子線装置

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Publication number: JP5909547B2
Application number: JP2014509083A
Authority: JP
Inventors: 恒典野間口; 寿英揚村
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2012-04-03
Filing date: 2013-03-04
Publication date: 2016-04-26
Anticipated expiration: 2033-03-04
Also published as: DE112013001373B4; DE112013001373T5; US9355814B2; CN104246966B; CN104246966A; JPWO2013150847A1; US20150083910A1; WO2013150847A1

Description

本発明は、荷電粒子線を用いて試料の観察を行う荷電粒子線装置に関する。

近年、走査型荷電粒子線装置は、その空間分解能の高さから半導体分野や材料分野、医用分野といった様々な産業分野で広く用いられている。走査型荷電粒子線装置を用いた観察では、一般に荷電粒子線を試料に照射し、照射位置から放出される二次電子や反射電子等を検出する。

特許文献１に記載されているように、二次電子像は、主に試料の表面形状を反映したコントラストを示す。また、反射電子像は、試料の表面形状に加え、組成を反映したコントラストを示す。従って、二次電子や反射電子を弁別して検出することで試料の様々な情報を取得することができる。これまでに、二次電子や反射電子を弁別する方法として、荷電粒子線カラムの内外に配置した複数の検出器を用いる方法や、多孔電極を用いてエネルギーフィルタリングを行う方法（特許文献２）などが開発されている。また、特許文献１では、位置敏感型検出器を用いた二次電子や反射電子の弁別方法が示されている。この方法の利点として、単一の検出器のみを用いてエネルギーフィルタリングが行えることが挙げられる。

特開２０１０−１３５０７２号公報特許第４０６９６２４号公報

本願発明者が、二次電子や反射電子の弁別方法について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。

特許文献１には、位置敏感型検出器（例えばＣＣＤ検出器）を用いる方法が提案されている。しかし、放出された電子の到達位置は、電子のエネルギーだけでなく、集束レンズの条件や試料から放出されたときの角度によっても異なる。そのため、所望のエネルギーを持つ電子あるいは所望の角度で放出された電子を的確に弁別するためには、位置敏感型検出器の検出条件をその都度細かく設定する必要がある。そのため、位置敏感型検出器の設定を、観察に適した条件に設定することは、非常に煩雑な作業となる。

また、特許文献２には、電極を用いてエネルギーフィルタリングを行う方法が提案されている。しかし、観察に適したエネルギー領域または角度領域は、試料に大きく依存する。そのため、観察に不慣れなオペレータにとって、観察条件を的確に設定することは困難を極める。また、照射電子線のエネルギーによっても観察結果は大きく変わる。従って、照射電子線のエネルギーの設定も観察に不慣れなオペレータにとって煩わしい作業の１つである。

本発明は、これらの課題を解決する装置を提供する。

本発明における第一の荷電粒子線装置は、試料から放出された二次粒子が到達する位置を計算する軌道計算シミュレータ、または、試料から放出された二次粒子が到達する位置を記録したデータベース、または、検出器が検出する二次粒子の条件を記録したデータベースを備えている。

本発明における第二の荷電粒子線装置は、荷電粒子線を試料に集束する２つ以上のレンズと、前記レンズを独立に制御する制御器と、前記試料から放出された二次粒子を検出する検出器と、前記検出器によって得られる信号を前記レンズ条件ごとに比較する演算器とを備えている。

本発明により、試料から放出された二次粒子のエネルギー弁別または角度弁別を容易に行うことができる。あるいは、最適な観察条件を容易に設定することができる。

本発明の実施形態における荷電粒子線の概略図。検出器の制御フローの一例を示す流れ図１。検出器の制御フローの一例を示す流れ図２。検出する二次電子のエネルギー範囲または角度範囲を設定するＧＵＩ画面の一例。検出効率の閾値を設定するＧＵＩ画面の一例。アクティブな検出素子および検出する二次粒子の条件を知らしめるＧＵＩ画面の一例。集束レンズの制御フローの一例を示す流れ図。

本発明を図面を参酌して説明する。

（荷電粒子線装置の装置構成）
図１は、本発明の一実施例における荷電粒子線装置の概略図である。

図１において、荷電粒子線装置は、荷電粒子線１０１を発生する荷電粒子線源１０２を備え、荷電粒子線源１０２から放出された荷電粒子線１０１は、加速電極１０３により加速される。荷電粒子線１０１を加速するための加速電圧は、加速電極１０３を制御する加速電極制御器１５３により制御される。

荷電粒子線１０１は、第一コンデンサーレンズ１０４、第二コンデンサーレンズ１０５により偏向することにより、図示しない絞りを通過する荷電粒子線１０１の通過量を調整し、試料１１０に照射される荷電粒子線１０１の量を制御する。第一コンデンサーレンズ１０４、第二コンデンサーレンズ１０５は、それぞれ第一コンデンサーレンズ制御器１５４、第二コンデンサーレンズ制御器１５５により制御される。

荷電粒子線１０１は対物レンズ１０６により試料１１０表面上に焦点が合わせられた上で照射され、試料１１０の荷電粒子線１０１の照射位置から放出された二次粒子（二次電子、反射電子等）は、位置敏感型検出器１０７により検出される。対物レンズ１０６は対物レンズ制御器１５６により制御され、位置敏感型検出器１０７は、ＣＣＤ素子などの各位置ごとに素子が配置された構造を有し、位置毎に二次粒子の検出を行うものである。さらに、各位置における素子をアクティブ／インアクティブにすることもできる。ここで、アクティブな素子とは、その素子によって取得された信号を有効にすることを指す。従って、素子のＯＮ／ＯＦＦだけでなく、後処理による信号の有効／無効を判断する系も含む。位置敏感型検出器１０７は検出器制御器１５７により制御される。

対物レンズ１０６内を荷電粒子線１０１を高エネルギーで通過するための第一電極１０８を備えても良く、この場合第一電極は第一電極制御器１５８により制御される。また、対物レンズ出口近傍に配置された第二電極１０９を備えても良く、この場合第二電極１０９は第二電極制御器１５９により制御される。

試料１１０は、試料ステージ１１１上に配置され、試料ステージ１１１はステージ制御器１６１により、高さ、傾き等が制御される。

統合コンピュータ１７０は、各制御器等の装置全体の動作の制御や、荷電粒子線像の構築を行う。オペレータは、コントローラ１７１（キーボード、マウス等）を用いて、荷電粒子線１０１の照射条件や各電極等に印加する電圧条件や電流条件、ステージ位置条件といった各種指示等を統合コンピュータ１７０に入力することができる。取得した二次粒子像や制御画面は、ディスプレイ１７２上に表示される。

本発明では、試料から放出された二次粒子の軌道を計算する軌道シミュレータ１７３と、軌道シミュレータの結果を解析する演算器１７４とを備えている。なお、軌道シミュレータ１７３と演算器１７４の機能は、統合コンピュータ１７０がかねてもよい。

図示していないが、荷電粒子線装置は、荷電粒子線１０１を走査、シフトするための偏向系など、荷電粒子線装置に必要な構成を全て備えている。また、各制御器および演算器は互いに通信可能であり、統合コンピュータ１７０によってコントロールされる。

（軌道シミュレータについて）
軌道シミュレータについて詳細に説明する。軌道シミュレータは、試料に入射した荷電粒子によって発生する反射電子、二次電子の発生過程を乱数を用いて再現し、繰り返し計算を行うことにより反射電子、二次電子の放出角、エネルギー等を算出する。計算にはモンテカルロシミュレーション等が用いられる。シミュレーションを行うために、試料１１０の形状や組成、荷電粒子線１０１の入射条件、つまり、各電極、検出器等の配置や各制御器の制御条件が入力される。

（軌道シミュレータを用いた検出器の制御方法）
軌道シミュレータを用いた検出器の制御方法を、図２を用いて説明する。制御方法は、以下のステップを有する。

（ステップ１）試料に照射する荷電粒子線１０１のエネルギーや対物レンズ１０６のレンズ条件など所望の観察条件を決め、軌道シミュレータ１７３に入力する。例えば、加速電圧や対物レンズの励磁電流などが入力される。

（ステップ２）検出したい二次粒子の条件を決定し、軌道シミュレータ１７３に入力する。例えば、検出する二次粒子のエネルギー範囲や角度範囲を決定する。その際、信号弁別の種類を決定する項目４０１（例えば、二次粒子のエネルギー範囲、角度範囲、二次イオンと二次電子などの二次粒子の種類）と、各信号の分布を示すスペクトル４０２と、検出する二次粒子の範囲を選択する項目４０３とを備えるＧＵＩ画面（図４）が備えられていると便利である。このように、検出する二次粒子の範囲を選択する項目４０３が設けられていると、オペレータが所望のエネルギーの領域のみ検出できることになるため、より精緻な二次粒子の検出ができることになる。

（ステップ３）ステップ２で定めた所望の観察条件における所望の二次粒子の軌道を軌道シミュレータ１７３により計算する。

（ステップ４）位置敏感型検出器１０７における二次粒子の到達点を求める。

（ステップ５）所望の二次粒子が到達する位置敏感型検出器の素子をアクティブにする。

（ステップ６）アクティブな素子の信号を積算する。

（ステップ７）積算した信号に基づいて画像を構築する。

以上のフローにより、オペレータは、所望の二次粒子を選択的に検出し、この二次粒子を用いて二次粒子像を形成することができるようになるため、試料のより精緻な分析を行うことができる。

アクティブにする素子を、所望の二次粒子が到達する比率で設定してもよい。図３を用いて説明する。制御方法は、以下のステップを有する。

（ステップ１）試料に照射する荷電粒子線のエネルギーや対物レンズのレンズ条件など所望の観察条件を決め、軌道シミュレータ１７３に入力する。例えば、加速電圧や対物レンズの励磁電流などが入力される。

（ステップ２）検出したい二次粒子の条件を決定し、軌道シミュレータ１７３に入力する。例えば、検出する二次粒子のエネルギー範囲や角度範囲を決定する。

（ステップ５）位置敏感型検出器の各位置の素子において、所望の二次粒子が到達する比率（各素子に入射する全二次信号量に対する所望の二次粒子量）を計算する。

（ステップ６）アクティブとする比率の閾値を決定する。その際、図５のように、信号弁別の種類を決定する項目５０１と、各信号の分布を示すスペクトル５０２と、検出する二次粒子の範囲を選択する項目５０３と、検出素子をアクティブにする条件（閾値）を決める項目５０４とを備えるＧＵＩ画面が備えられていると、取得する二次粒子の設定がしやすく便利である。また、各位置における所望の信号の比率を示す表示部５０５や所望の信号の検出効率を示す表示部５０６、信号全体に対する検出効率を示す表示部５０７、アクティブな素子を知らしめる表示部５０８が備えられていると閾値決定の指針を与え、より一層便利である。

（ステップ７）アクティブな素子の信号を積算する。

（ステップ８）積算した信号に基づいて画像を構築する。

本実施例では、２つのフローを挙げたが、軌道シミュレータによって得られた結果に基づいて検出器（または画像を構築する演算器）を制御する手法において制御フローは問わない。また、軌道シミュレータの代わりに、二次粒子が到達する位置を記録したデータベースや検出される二次粒子の条件を記録したデータベースを用いて検出器を制御しても構わない。

位置敏感型検出器１０７としてＣＣＤ検出器を例に挙げたが、それ以外にも平面状に配列された半導体検出器を用いて直接電子を検出する方法や、シンチレータによる発光をレンズや光ファイバーを介して光学カメラや光電子増倍管で検出する方法が考えられる。また、位置敏感型検出器を用いたが、同心円状に分割された検出器や、放射状に分割された検出器、同心円状かつ放射状の分割された検出器、また円環状に配列された検出器に適応しても構わない。重要なのは、検出器の検出面の位置毎に検出器をアクティブ／インアクティブにできることである。

また、図１では検出器を荷電粒子線１０１の光軸上に配置したが、直行型電磁場（Ｅ×Ｂ）などを用いて光軸上から離れた位置で信号を検出しても構わないし、エネルギーフィルタリング用の電極を備えた検出系でも構わない。但し、その場合は、Ｅ×Ｂやエネルギーフィルタリング用の電極といった二次粒子の軌道に影響を与える系を考慮したシミュレーションを行う必要がある。また、変換板を用いた検出系（二次粒子をさらに変換板に衝突させ、変換板から放出された三次粒子を検出する検出系）においても、変換板に衝突する二次粒子の軌道を計算することで同様の効果が得られる。

また、試料から放出される二次粒子に対して記載したが、透過型電子顕微鏡や走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）などのように試料を透過してくる透過荷電粒子を信号とする装置においても有用である。例えば、回折パターンにおける特定スポットの抽出や環状暗視野（ＡＤＦ）像取得時の検出器の設定を容易に行うことができる。

さらに、検出器の制御からは離れるが、各検出素子または範囲を選択した際に検出される二次粒子のエネルギー分布や角度分布を知らしめる表示があると、得られた画像の解析や観察条件を検討する際、非常に有用である。例えば図６のように、検出器の各素子または範囲を設定する表示部６０１や、検出効率表示部６０２、検出される二次粒子のエネルギー分布や角度分布を示すスペクトル表示部６０４、所望の信号が検出される割合を示す表示部６０５、所望の信号を設定する項目６０６などを備えたＧＵＩ画面が備えられていると便利である。

（２つ以上の独立に制御可能な集束レンズの制御方法）
本実施例では、第一電極１０８と第二電極１０９の間に静電レンズが形成される。即ち、本実施例は、試料に集束するレンズとして前記静電レンズと対物レンズ１０６が形成する磁場レンズを有する。ここでは、この集束レンズ系を用いて本発明における集束レンズの制御方法を説明する。

磁場レンズと静電レンズの強度が変わると試料から放出される二次粒子の軌道も変わる。従って、検出される二次粒子も変わる。即ち、得られるコントラストが変わる。従って、観察対象によって最適な対物レンズと静電レンズの条件を設定することが望まれる。そこで、観察に適したレンズ条件を探索する制御フローの一例を図７を用いて説明する。

（ステップ１）フォーカスを合わせる。

（ステップ２）フォーカス点が変化しないように対物レンズと静電レンズを連動させて変更する。この時、フォーカス点は変わらないが、対物レンズ１０６と静電レンズの強度が変わるため、試料から放出される二次粒子の軌道は変わる。即ち、取得される画像は変わる。

（ステップ３）各条件で画像を取得する。

（ステップ４）取得した画像を比較する。例えば、最も明るい画像の取得条件を探索する。

（ステップ５）探索した条件を観察条件とする。

本実施例は、最も明るい画像を判定基準としたが、最もコントラスト変化の激しい画像としてもよいし、ある特定の領域の階調にのみ注目してもよい。画像の取得条件を決定する目的において、比較基準は問わない。さらに、本制御フローは検出器の種類に関係なく実施可能である。即ち、素子１つを有する検出器から構成される系や、複数の検出器から構成される系、素子分割型検出器によって構成される系においても実施可能である。

また、本実施例では、対物レンズ１０６内を高エネルギーで通過させるための第一電極１０８と第二電極１０９が形成する静電レンズを用いたが、本目的のために特別に静電レンズを備えても構わない。また、対物レンズ１０６と第二コンデンサーレンズ１０５の組合せにおいても同様の制御フローを実施できる。また、レンズの組合せは、双方とも磁場レンズあるいは双方とも静電レンズでも構わないし、磁場レンズと静電レンズ混合でも構わない。また集束レンズの数は、本実施例のように２つでもよいし、３つ以上でも構わない。

また、本実施例では、実際に取得した画像を比較することで観察条件を決定したが、軌道シミュレータを用いて各観察条件における検出効率を算出し、その結果に基づいて観察条件を決めてもよい。その際、二次粒子のエネルギーや放出角度に制約を設けて検出効率を算出してもよい。

また、対物レンズ条件と加速電圧条件の組合せによってもフォーカス点を変更することなく二次粒子の軌道を変えることができる。従って、上記フローと同様フローを実施することで、観察に適した対物レンズ条件と加速電圧条件の探索が可能である。

また、対物レンズのフォーカス点に試料位置を移動させることでも、検出する二次粒子の分布を変更することができる。しかし、ＦＩＢ−ＳＥＭ装置など２つの荷電粒子線カラムを搭載する場合には、２つの荷電粒子線カラムの光軸が交わる位置に試料が配置されることが望まれる。従って、フォーカス点は一定の方が望ましい。

上記各実施例で説明した本発明により、試料から放出された二次粒子のエネルギー弁別または角度弁別を容易に行うことができる荷電粒子線装置を提供できる。また、最適な観察条件を容易に設定することができる荷電粒子線装置を提供できる。これにより、荷電粒子線を用いた加工・観察の効率を向上させるとともに、操作性を向上させることができる。

１０１荷電粒子線
１０２荷電粒子線源
１０３加速電極
１０４第一コンデンサーレンズ
１０５第二コンデンサーレンズ
１０６対物レンズ
１０７位置敏感型検出器
１０８第一電極
１０９第二電極
１１０試料
１１１試料ステージ
１５３加速電極制御器
１５４第一コンデンサーレンズ制御器
１５５第二コンデンサーレンズ制御器
１５６対物レンズ制御器
１５７検出器制御器
１５８第一電極制御器
１５９第二電極制御器
１６１ステージ制御器
１７０統合コンピュータ
１７１コントローラ
１７２ディスプレイ
１７３軌道シミュレータ
１７４演算器
４０１、５０１信号弁別の種類を決定する項目
４０２、５０２各信号の分布を示すスペクトル
４０３、５０３検出する二次粒子の範囲を選択する項目
５０４検出素子をアクティブにする条件（閾値）を決める項目
５０５所望の信号の比率を示す表示部
５０６所望の信号の検出効率を示す表示部
５０７信号全体に対する検出効率を示す表示部
５０８アクティブな素子を知らしめる表示部
６０１検出器の各素子または範囲を設定する表示部
６０２検出効率表示部
６０３スペクトルを表示する際の横軸を設定する項目
６０４検出される二次粒子のエネルギー分布や角度分布を示すスペクトル表示部
６０５所望の信号が検出される割合を示す表示部
６０６所望の信号を設定する項目

Claims

荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、
前記荷電粒子線を走査する偏向系と、
前記荷電粒子線を試料に集束するレンズと、
前記試料から放出された二次粒子を検出する検出器と、
前記試料から放出された二次粒子が到達する位置を計算する軌道シミュレータと、
所望の二次粒子の条件を設定する設定画面と、
前記設定画面を表示する表示装置と、を備え、
所望の観察条件における前記所望の二次粒子の軌道を前記軌道シミュレータにより計算し、当該所望の二次粒子が前記検出器に到達する位置で検出された信号を用いて試料像を形成することを特徴とする走査型荷電粒子線装置。
荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、
前記荷電粒子線を走査する偏向系と、
前記荷電粒子線を試料に集束するレンズと、
前記試料から放出された二次粒子を検出する検出器と、
前記検出器の有効な検出面を設定する設定画面と、
前記設定画面を表示する表示装置と、
前記試料から放出された二次粒子が到達する位置を計算する軌道シミュレータと、を備え、
所望の観察条件における前記有効な検出面に到達する二次粒子の分布を前記軌道シミュレータの計算結果に基づき表示することを特徴とする走査型荷電粒子線装置。
請求項１または２の走査型荷電粒子線装置において、
前記検出器は、検出面の位置毎に素子が配列された位置敏感型検出器であることを特徴とする走査型荷電粒子線装置。
請求項１または２の走査型荷電粒子線装置において、
前記検出器は、検出面が分割された分割型検出器であることを特徴とする走査型荷電粒子線装置。
請求項１の走査型荷電粒子線装置において、
前記設定画面は、前記二次粒子のエネルギーを設定する設定画面を有することを特徴とする走査型荷電粒子線装置。
請求項１の走査型荷電粒子線装置において、
前記設定画面は、前記二次粒子の放出角の角度範囲を設定する設定画面を有することを特徴とする走査型荷電粒子線装置。
請求項１の走査型荷電粒子線装置において、
前記設定画面は、前記検出器の所定の位置における前記二次粒子の全検出量に対する所定の条件を満たす二次粒子の比率を設定する設定画面を有することを特徴とする走査型荷電粒子線装置。
荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、
前記荷電粒子線を走査する偏向系と、
前記荷電粒子線を試料に集束するレンズと、
前記試料から放出された二次粒子を検出する検出器と、
二次粒子が到達する前記検出器の位置を記録したデータベースと、
所望の二次粒子の条件を設定する設定画面と、
前記設定画面を表示する表示装置と、を備え、
所望の観察条件における前記所望の二次粒子が前記検出器に到達する位置を前記データベースにより求め、当該所望の二次粒子が前記検出器に到達する位置で検出された信号を用いて試料像を形成することを特徴とする走査型荷電粒子線装置。
荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、
前記荷電粒子線を走査する偏向系と、
前記荷電粒子線を試料に集束するレンズと、
前記試料から放出された二次粒子を検出する検出器と、
前記検出器の各位置で検出される二次粒子の条件を記録したデータベースと、
所望の二次粒子の条件を設定する設定画面と、
前記設定画面を表示する表示装置と、を備え、
所望の観察条件における前記所望の二次粒子が検出される前記検出器の各位置を前記データベースにより求め、当該検出器の各位置で検出された信号を用いて試料像を形成することを特徴とする走査型荷電粒子線装置。
請求項８または９の走査型荷電粒子線装置において、
前記設定画面は、前記二次粒子のエネルギーを設定する設定画面を有することを特徴とする走査型荷電粒子線装置。
請求項８または９の走査型荷電粒子線装置において、
前記設定画面は、前記二次粒子の放出角の角度範囲を設定する設定画面を有することを特徴とする走査型荷電粒子線装置。
請求項８または９の走査型荷電粒子線装置において、
前記設定画面は、前記検出器の所定の位置における前記二次粒子の全検出量に対する所定の条件を満たす二次粒子の比率を設定する設定画面を有することを特徴とする走査型荷電粒子線装置。
請求項１〜１２のいずれかの走査型荷電粒子線装置において、
前記試料を集束するレンズとして静電レンズと磁場レンズを有することを特徴とする走査型荷電粒子線装置。