JP7161053B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線装置に関する。

荷電粒子線装置の一例である走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope; ＳＥＭ）は、微細な構造を持つ様々な試料の観察に用いられる。特に半導体デバイスの製造工程における半導体ウェハ上のパターンの寸法計測や欠陥検査等では、試料の帯電や損傷を回避するために、電子線の加速電圧を１ｋＶ以下にすることが要求される。しかし、加速電圧の低減は色収差を増大させるので観察像の空間分解能が低下する。

特許文献１には、低加速電圧でも空間分解能の高い観察像を得るために、対物レンズの電子線通路に配置された円筒電極に電子線を加速させる正電圧を印加するとともに、円筒電極と試料との間で電子線を減速させる負電圧を試料に印加することが開示されている。すなわち対物レンズを通過するときの電子線の加速電圧を、試料に照射されるときの電子線の加速電圧よりも高くするブースティング法により色収差を低減できる。

特開２００６－９３１６１号公報

しかしながら特許文献１では、磁界発生型の対物レンズにおける磁気飽和に対する配慮がなされていない。荷電粒子線装置の小型化にともない対物レンズの磁路は薄肉化され、薄肉化された磁路中での磁気飽和によって磁界が電子線の軌道上へ漏洩することがある。電子線の軌道上への不要な磁界の漏洩は、試料に照射される電子線をボケさせ、観察像の空間分解能を低下させる。

そこで本発明は、ブースティング法による試料観察において、試料に照射される荷電粒子線の軌道上への不要な磁界の漏洩を抑制する荷電粒子線装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、試料に照射される荷電粒子線を生成する荷電粒子源と、前記荷電粒子線を集束させる磁界を発生する対物レンズと、前記対物レンズの内側に設けられ、前記荷電粒子線を加速する電圧が印加されるブースティング電極と、を備える荷電粒子線装置であって、前記ブースティング電極が磁性体で構成されることを特徴とする。

本発明によれば、ブースティング法による試料観察において、試料に照射される荷電粒子線の軌道上への不要な磁界の漏洩を抑制する荷電粒子線装置を提供することができる。

実施例１の荷電粒子線装置の一例を示す概略断面図である。 実施例１の荷電粒子線装置の対物レンズから発生する磁界分布の例を示す図である。 実施例１の荷電粒子線装置の他の例を示す概略断面図である。 実施例２の荷電粒子線装置の一例を示す概略断面図である。 実施例３の荷電粒子線装置の一例を示す概略断面図である。 実施例３の荷電粒子線装置の他の例を示す概略断面図である。 実施例３の荷電粒子線装置の他の例を示す概略断面図である。

以下、添付図面に従って本発明に係る荷電粒子線装置の実施例について説明する。荷電粒子線装置は、電子線に代表される荷電粒子線を試料に照射することによって試料を観察したり加工したりする装置であり、走査電子顕微鏡や走査透過電子顕微鏡等の様々な装置がある。以下では、荷電粒子線装置の一例として、電子線を用いて試料を観察する走査電子顕微鏡について説明する。

図１を用いて本実施例の走査電子顕微鏡の全体構成について説明する。走査電子顕微鏡は、鏡体１と試料室１０と制御部１１を備える。鏡体１には、電子源２、検出器３、対物レンズ４、ブースティング電極６とともに図示されない集束レンズと偏向器が備えられる。試料室１０には、試料７と試料台８が備えられる。鏡体１と試料室１０とは図示されない真空ポンプにより真空排気される。

電子源２は電子を放出して加速することにより、試料７に照射される電子線を生成する装置である。電子源２で生成された電子線は、光軸５にそって進み、集束レンズによって集束され、偏向器によって偏向される。偏向器での偏向により、電子線は試料７の表面を二次元的に走査させられる。

対物レンズ４は、偏向された電子線を試料７の表面で集束させるレンズであり、コイル４ａと磁路４ｂを有する。コイル４ａは光軸５を中心軸として巻かれる電線であり、直流電流が流されることにより光軸５に対して回転対称な磁界を生成する。磁路４ｂはコイル４ａの周囲を囲うとともに下側に隙間を有する磁性体であり、光軸５に対して回転対称な形状を有する。コイル４ａが生成する磁界は磁路４ｂの中に集中するとともに下側の隙間から漏洩することにより、電子線を集束させるレンズを形成する。電子線を集束させる磁界を磁路４ｂの下側の隙間から漏洩させるレンズは、セミインレンズ型対物レンズと呼ばれる。

ブースティング電極６は、対物レンズ４の内側に設けられる円筒形状の電極である。ブースティング電極６には、電子線をさらに加速するための電圧であるブースティング電圧がブースティング電源９から印加される。対物レンズ４を通過するときの電子線は、ブースティング電極６へのブースティング電圧の印加によって加速されるので、色収差が低減される。なおブースティング電極６と対物レンズ４との間には、両者の絶縁を保つために隙間が設けられる。

試料台８は試料７を搭載するとともに、試料７を三次元的に移動させたり、光軸５を回転軸として回転させたり、傾斜させたりする装置である。試料７とブースティング電極６との間には、電子線を減速させる電界が形成される。減速された電子線が試料７に照射されることにより、試料７の帯電や損傷を回避できる。

検出器３は、電子線が照射されることによって試料７から放出される二次電子や反射電子等の二次粒子を検出する装置である。検出器３の検出信号は制御部１１に送信され、試料７の観察像の生成に用いられる。

制御部１１は走査電子顕微鏡の各部を制御する装置であり、例えば汎用のコンピュータによって構成される。コンピュータは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサと、メモリ等の記憶部、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶装置を少なくとも備える。制御部１１での処理は、ＨＤＤに記憶されるプログラムをメモリに展開してＣＰＵが実行することによって実現されても良い。なお、制御部１１の一部は、専用の回路基板等のハードウェアによって構成されても良い。制御部１１は検出器３から送信される検出信号に基づいて観察像を生成し、表示する。

ところで走査電子顕微鏡の小型化にともない対物レンズ４の磁路４ｂが薄肉化されると、磁路４ｂでの磁気飽和によって電子線の軌道の軸である光軸５へ不要な磁界が漏洩する場合がある。光軸５への不要な磁界の漏洩は、試料７に照射される電子線をボケさせ、観察像の空間分解能を低下させる。そこで本実施例では、ブースティング電極６を磁性体で構成することによって、光軸５への不要な磁界の漏洩を抑制する。

図２を用いて対物レンズ４から発生する磁界分布の例について説明する。なお磁界分布は光軸５に対して回転対称であるので、図２には対物レンズ４とブースティング電極６との右半分のみが示される。対物レンズ４から発生する磁界は、磁路４ｂから光軸５側へ漏洩したとしても、磁性体で構成されるブースティング電極６の中を通るに留まるので、光軸５への不要な磁界の漏洩を抑制できる。

なお、ブースティング電極６が対物レンズ４よりも試料７側に突出すると、突出した部分に磁界が集中し、ブースティング電極６の磁気飽和によってブースティング電極６から光軸５へ不要な磁界が漏洩する場合がある。そこで、ブースティング電極６は対物レンズ４よりも試料７側に突出しないことが望ましく、例えばブースティング電極６と対物レンズ４との試料７側端部は、図１や図２に示されるように、光軸５の方向において同じ位置とされる。

またブースティング電極６が対物レンズ４よりも電子源２側に突出すると、突出した部分に地磁界等の浮遊磁界が集中し、ノイズ成分を生じさせる場合がある。そこで、ブースティング電極６は対物レンズ４よりも電子源２側に突出しないことが望ましい。さらに、ブースティング電圧が印加されるブースティング電極６の電子源２側端部には、加速電界によるレンズが形成される。電子線の色収差を低減するには、加速電界によるレンズの主面を試料７に近づけたほうが良いので、ブースティング電極６の電子源２側端部は試料７により近づけられることが望ましい。すなわち、ブースティング電極６と対物レンズ４との試料７側端部が光軸５の方向において同じ位置である場合には、ブースティング電極６の光軸５の方向の長さはより短いことが望ましい。

図３を用いて本実施例の走査電子顕微鏡の他の例について説明する。図１及び図２ではセミインレンズ型対物レンズについて説明した。図３では対物レンズ４の中に試料７が配置されるインレンズ型対物レンズについて説明する。図３の対物レンズ４の磁路４ｂは図1と形状が異なり、内側に向けて隙間が設けられる。インレンズ型対物レンズでは、内側に向けて設けられた隙間から漏洩する磁界によって形成されるレンズの中に試料７が配置されることにより、電子線の色収差が低減できる。

図３のインレンズ型対物レンズにおいても、ブースティング電極６が磁性体で構成されることにより、対物レンズ４の磁界が磁路４ｂから漏洩したとしても、ブースティング電極６の中を通るに留まるので、光軸５への不要な磁界の漏洩を抑制できる。なお、ブースティング電極６への磁界の集中を避けるために、ブースティング電極６の試料７側端部は、磁路４ｂの内側に設けられる隙間よりも試料７側に突出しないことが望ましい。

またブースティング電極６の電子源２側端部は、図１と同様に、対物レンズ４よりも電子源２側に突出しないことが望ましい。さらにブースティング電極６の光軸５の方向の長さも、図１と同様に、より短いことが望ましい。
以上説明した本実施例の走査電子顕微鏡によれば、ブースティング法による試料観察において、試料７に照射される電子線の軌道上への不要な磁界の漏洩を抑制することができる。その結果、試料７に照射される電子線をボケさせないとともに色収差を低減できるので、観察像の空間分解能を向上できる。

実施例１では、ブースティング電極６と対物レンズ４との間に隙間を設けることにより、両者の絶縁を保つことについて説明した。本実施例では、ブースティング電極６と対物レンズ４との間に固体の絶縁体を介在させて両者の絶縁を保つことについて説明する。なお、実施例１と同じ機能を有する構成物については同じ符号を付与して説明を省略する。

図４を用いて本実施例の走査電子顕微鏡の全体構成について説明する。本実施例では、ブースティング電極６と対物レンズ４との間に絶縁体１２が配置される。絶縁体１２はブースティング電極６と対物レンズ４との間の絶縁を保つとともに、対物レンズ４にブースティング電極６を固定させる。ブースティング電極６が絶縁体１２を介して対物レンズ４に固定されることにより、対物レンズ４の軸とブースティング電極６の軸とを一致させやすく軸精度を向上できるので、軸ずれによって生じる電子線のボケを低減できる。

なお本実施例においても、ブースティング電極６が磁性体で構成されることにより、対物レンズ４の磁界が磁路４ｂから漏洩したとしても、ブースティング電極６の中を通るに留まるので、光軸５への不要な磁界の漏洩を抑制できる。また絶縁体１２の磁気飽和による悪影響を抑制するため、絶縁体１２は非磁性体であることが望ましい。

以上説明した本実施例の走査電子顕微鏡によれば、ブースティング法による試料観察において、試料に照射される電子線の軌道上への不要な磁界の漏洩を抑制することができるので、観察像の空間分解能を向上できる。さらに本実施例によれば、対物レンズ４とブースティング電極６との軸精度を向上させることができるので、観察像の空間分解能をより向上できる。なお本実施例の絶縁体１２は、セミインレンズ型対物レンズのみならず、図２に例示されるインレンズ型対物レンズにも適用できる。

実施例１では、磁性体で構成されるブースティング電極６にブースティング電圧が印加されることによって、電子線の色収差を低減することについて説明した。ブースティング電圧が印加されるブースティング電極６の電子源２側端部に形成される加速電界によるレンズは電子線の色収差を増大させるので、その影響を軽減させることが望ましい。そこで本実施例では、ブースティング電極６の電子源２側端部に形成される加速電界によるレンズの影響を軽減させるために、ブースティング電極６と電子源２との間に、電極を追加することについて説明する。なお、実施例１と同じ機能を有する構成物については同じ符号を付与して説明を省略する。

図５を用いて本実施例の走査電子顕微鏡の全体構成について説明する。本実施例では、ブースティング電極６と電子源２との間に補助電極１３が追加される。補助電極１３は、光軸５に対して回転対称な形状を有し、補助電源１４から電圧が印加される。補助電源１４から印加される電圧である補助電圧は、ブースティング電圧よりも低い電圧である。また補助電圧は、対物レンズ４の電圧よりも高い電圧であることが望ましい。例えば、ブースティング電圧が２ｋＶ、対物レンズ４の電圧が接地電圧、電子源２での加速電圧が１００Ｖである場合、補助電圧は２００Ｖに設定される。

補助電源１４から補助電極１３に補助電圧を印加されることにより、ブースティング電圧よりも低い電圧である補助電圧とブースティング電圧とによって電子線は段階的に加速される。その結果、ブースティング電極６の電子源２側端部に形成される加速電界によるレンズの影響を軽減できるので、電子線の色収差を低減できる。

なお本実施例においても、ブースティング電極６が磁性体で構成されることにより、対物レンズ４の磁界が磁路４ｂから漏洩したとしても、ブースティング電極６の中を通るに留まるので、光軸５への不要な磁界の漏洩を抑制できる。また補助電極１３が磁性体であると、補助電極１３とブースティング電極６との間に磁界が集中することによってレンズが形成され、収差を増大させることがあるので、補助電極１３は非磁性体であることが望ましい。

図６を用いて本実施例の走査電子顕微鏡の他の例について説明する。図６では、補助電極１３が電子源２側に延長される。補助電極１３は電子源２近傍まで延長されることが望ましい。また補助電極１３が配置される領域に検出器３が備えられる。

補助電極１３が配置される領域では補助電圧によって電子線が加速されるので、外部からの電磁場によるノイズや偏向の影響を受けにくくなり、電子線のボケを低減できる。また補助電圧が印加された補助電極１３の領域に検出器３が配置されることにより、試料７から放出される二次粒子が検出器３に入射しやすくなるので検出感度を向上できる。

図７を用いて本実施例の走査電子顕微鏡の他の例について説明する。図７では、補助電極１３の試料７側端部がブースティング電極６の電子源２側端部よりも試料７側に配置される。なお、補助電極１３の試料７側端部は、ブースティング電極６の電子源２側端部よりも内側に配置されることが望ましい。

図７のようにブースティング電極６と補助電極１３が配置される場合、加速電界によるレンズは補助電極１３の試料７側端部に形成され、レンズの主面が試料７により近づくので、電子線の色収差をより低減できる。

以上説明した本実施例の走査電子顕微鏡によれば、ブースティング法による試料観察において、試料７に照射される電子線の軌道上への不要な磁界の漏洩を抑制することができるので、観察像の空間分解能を向上できる。さらに本実施例によれば、ブースティング電極６の電子源２側端部に形成される加速電界によるレンズの影響を軽減できるので、電子線の色収差をより低減でき、観察像の空間分解能をより向上できる。なお本実施例の補助電極１３は、セミインレンズ型対物レンズのみならず、図２に例示されるインレンズ型対物レンズにも適用できる。

以上、本発明の荷電粒子線装置の複数の実施例について説明した。本発明は上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせても良い。さらに、上記実施例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。

１…鏡体、２…電子源、３…検出器、４…対物レンズ、４ａ…コイル、４ｂ…磁路、５…光軸、６…ブースティング電極、７…試料、８…試料台、９…ブースティング電源、１０…試料室、１１…制御部、１２…絶縁体、１３…補助電極、１４…補助電源

Claims (3)

1. 試料に照射される荷電粒子線を生成する荷電粒子源と、
   前記荷電粒子線を集束させる磁界を発生する対物レンズと、
   前記対物レンズの内側に設けられ、前記荷電粒子線を加速する電圧が印加されるブースティング電極と、を備える荷電粒子線装置であって、
   前記ブースティング電極が磁性体で構成され、
   前記ブースティング電極と前記荷電粒子源との間に配置される電極である補助電極がさらに備えられ、
   前記補助電極に印加される電圧は、前記ブースティング電極に印加される電圧よりも低く、
   前記補助電極が非磁性体で構成されることを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 試料に照射される荷電粒子線を生成する荷電粒子源と、
   前記荷電粒子線を集束させる磁界を発生する対物レンズと、
   前記対物レンズの内側に設けられ、前記荷電粒子線を加速する電圧が印加されるブースティング電極と、を備える荷電粒子線装置であって、
   前記ブースティング電極が磁性体で構成され、
   前記ブースティング電極と前記荷電粒子源との間に配置される電極である補助電極がさらに備えられ、
   前記補助電極に印加される電圧は、前記ブースティング電極に印加される電圧よりも低く、
   前記補助電極の前記試料の側の端部は、前記ブースティング電極の前記荷電粒子源の側の端部よりも前記試料の側に配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項２に記載の荷電粒子線装置であって、
   前記補助電極の前記試料の側の端部は、前記ブースティング電極よりも内側に配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。

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