JPH01107443A - 荷電ビーム観察装置およびその焦点合わせ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、凹部を有する試料（例えばＬＳＩ製造ライン
においてプロセス途中に形成されるスルーホール等）に
荷電ビームを照射した時、凹部の内部から発生する２次
電子の會号を増大させて偉観　・察を容易にする荷電ビ
ーム観察装置およびその焦点合わせ方法に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

ＬＳＩ製造プロセスにおいて、スルーホールや容量性溝
等の凹部を有する試料（以下スルーホールと総称する）
の底のレジスト残シ等に起因する配線の断線現象が問題
となってお）、スルーホールの底を観察できる荷電ビー
ム観察装置が必要となってきている。スルーホールを観
察する方法として、斎藤賢−９大久保恒夫、吉沢正浩、
和田康「低エネルギ電子軌道追跡法とその応用」日本学
術振興会第１３２委員会第９７回研究会資料（６１゜１
１．１４〜１５）の１１８ページにおいて、スルーホー
ルの低面に垂直に強磁界を印加し、磁力縁に巻きつけて
２次電子をスルーホール外に引出して観察する方法が提
案されている。ＬＳＩ製造プロセスで形成されるスルー
ホールの低部の２次電子像を観察するためＫは、約１０
”ＡＴ／ｍ以上の磁界を試料面と垂直に印加する必要が
あると推定される。

試料の２次電子像が観察可能な荷電ビーム観察装置の一
例として、例えば、古屋寿宏、大高正。

山田理、森弘義、山田溝廖、渡部忠雄１石川勝彦ｊ　Ｆ
ＥＢ測長装置ｓ　−ａｏｏｏＪ日本学術振興会第１３２
委員会第９３回研究会資料（６０，１１，８〜９）の１
ページ（１９８！Ｓ年）に掲載されている荷電ビーム観
察装置の鏡体部分をｔＩＸＳ図に示す。同図において、
６０１は陰極、６０２は第１陽極、６０３は第２陽極、
６０４は集束レンズ、６０５は偏向コイル、６０６は２
次電子検出器、６０Ｔは対物レンズ、６０８は試料、６
ｏ８は陰極８０１から放出された電子（以後１次電子と
呼ぶ）、６１０は試料６０８から放出された電子（以後
１次電子と呼ぶ）、６１０は試料６０８から放出された
電子（以後２次電子と呼ぶ）である。このような構成に
おいて、１次電子６０９は集束レンズ６０４および対物
レンズ６０７のレンズ作用により試料６０８の上面に集
束する。１次電子６０９の試料２０８面上での集束点の
位置は、偏向コイル６０５によって制御される。１次電
子６０９の衝突により、試料６０８から放出された２次
電子６１０は、対物レンズ６ＯＴ中を通過し、２次電子
検出器６０６によって検出される。偏向コイル６０５を
用いて１次電子６０９を試料６０８上で走査しながら、
２次電子検出器６０６で２次電子６１０を検出すること
によ）、試料６０８面の２次電子像を観察することがで
きる。なお、本装置において、試料６０８表面に表面と
垂直方向に印加されている磁界は約ｌＸ１０’ＡＴ／ｍ
程度である。斎藤らの方法でスルーホールの低部を観察
するためには、試料６０８にかかる磁界を約１００倍程
度強くする必要がある。このため、対物レンズ６０７の
励磁電流を約１００倍程度増大させる必要がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしまから、前述した従来の荷電ビーム観察装置にお
いて、対物レンズ６０７の励磁電流を増大させると試料
６０８表面にあった１次電子６０９の集束点が試料６０
８の上方に移動し、試料６０８の２次電子像がぼける。

この様子を第７図に示す。同図において、７０１は対物
レンズ６０Ｔの励磁電流を増大させる前の１次電子、７
０２は１次電子７０１の集束点、７０３は対物レンズ６
０７の励磁電流を増大させた後の１次電子、７０４は１
次電子７０３の集束点である。対物し／ズ６０７の励磁
電流を増大させる前、１次電子の集束点７０２は試料６
０８の上面と一致しているが、対物しンズ６０１の励磁
電流を増大させると、１次電子の集束点７０４は試料６
０８の上方に移る。このため試料６０８表面に照射され
る１次電子７０３のビーム径が大きくなル、観察される
２次電子像がぼけてしまうという問題点があった。

したがって本発明は、前述した従来の問題に鑑みてなさ
れたものであシ、その目的は、強磁界下での試料表両の
鮮明な２次電子像が得られる荷電ビーム観察装置及びそ
の焦点合わせ方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明による荷電ビーム観察装置は、試料面に強磁界を
印加する励磁装置と１次電子の集束位置を制御する焦点
合わせレンズとを設け、１次電子と＃１ｔ！同等のエネ
ルギの電子を試料面から仮想的に放出し九ときに形成さ
れる電子の集束的が焦点合わせレンズと試料との間存在
するように焦点合わせレンズを配置したものである。

本発明による荷電ビーム観察装置の焦点合わせ方法は、
励磁装置の磁場の大きさと、１次電子とほぼ同等のエネ
ルギの電子を試料間から仮想的に放出させたときに形成
される該電子の仮想的な集束点の位置とを予め求めてお
き、焦点合わせレンズと試料との間に形成される仮想的
な集束点の位置に１次電子゛を集束させるように焦点合
わせレンズの励磁電流もしくは印加電圧を設定するもの
である。

〔作用〕

本発明においては、仮想的な集束点の位置に１次電子が
集束されるので、試料に強磁界を印加しても１次電子が
試料面に集束される。

〔実施例〕

以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

とこで、本発明の詳細な説明する前に本発明の内容の理
解を容易にするためＫその原理について説明する。

回転対称な磁界中に置いた試料から出発する電子の軌道
をケンイチ　サイトウ（Ｋ・ｎｉ＠ｈｌ　８ａｉｔｏ）
。

ッネオ　オオクボ（Ｔｉｕｎ・ｏ　０ｋｕｂｏ）＋キイ
チ　タカモト（Ｋ１１ｅｈｉ　Ｔａｋａｍｏｔａ）、ヤ
スミチ　ウノ（ＹａｓｔｚｍｌｅｈＩ　Ｕｎｅ）、　？
モｋ”３ンドウ（ＭａｍｅｒｕＫｏｎｄｏ）　　ｊ高精
度電子軌道追跡法（Ｅ１＊ｅｔｒｏｎ　ｒａｙ　ｔｒａ
ｅｌｎｇ　ｖｌｔｈ　ｈｉｇｈ　ａ＠ｅｔＩｒａｃｙ）
Ｊ　＊ジャーナル　オブ　バキューム　サイエンス　ア
ンド　テクノロジー、Ａ４号、　１９１３ページ、　１
９８６年（Ｊ。

Ｖａｔ、　Ｓ＠ｉ、　Ｔ＠ｅｈ■１．　＋Ａ４　＋　１
９１３（１９８６）　）に掲載されている電子軌道追跡
プログラムによって求めた結果を第８図（ａ）に示す。

同図において、８０１は試料、８０２は回転対称な磁界
の中心軸、８０３゜８０４は試料１１０１から出発した
電子である。電子８０３　、８０４は磁界の作用を受け
て中心軸８０２の回シに回転するが、ここでは電子８０
３　、８０４と共に回転する座標系から見え電子軌道を
示し丸。８０５゜８０６は電子８０３と電子８０４との
交点であり、中心軸８Ｇ２に対して微小角度で試料８０
１の上面から出発した電子は全てこれらの点を通過する
。以後、交点ａｏｓ　、　ａｏｅを電子の集束点と呼ぶ
。電子８０３゜８０４のエネルギは約５に・Ｖである。

中心軸８０２上の磁界分布は第８図伽）に示すとおシで
ある。第８図伽）で横軸は中心軸８０２方向の磁界成分
Ｈａ、縦軸は試料８０１の上面を基準とした中心軸上の
位置２である。試料８０１には約１．６Ｘ１０＠ＡＴ、
／ａ　の強磁界が印加されている。本磁界分布は、例え
ば第６図に示した従来の荷電ビーム観察装置において対
物レンズ８０７の励磁電流を増大させたときの対物レン
ズ６０７の光軸の磁界分布に対応している。

試料８０１から出た電子８０２　、８０３は、集束点８
０５　、８０６を通って試料８０１の上方へ進んでいく
。

電子軌道の相反性（例えば、裏克己、「電子光学（共立
出版、１９７９年）」７０ページ参照）よシ、大きさを
変えずに磁界の方向を逆にすると（例えば第６図に示し
た従来の荷電ビーム観察装置において対物レンズ６０７
の励磁電流を逆向きに流すと）、第８図（＆）に示した
電子８０３　、８０４と同一の軌道に上方から試料８０
１面に向かつて電子を通すことができる。すなわちエネ
ルギ約５に＠Ｖの電子を試料８０１の上方から集束点８
０６を通過させるように照射すれば、上記電子を試料８
０１の上面に集束させることができる。ここでは電子の
エネルギが約５に＠Ｖ　、磁界分布が第８図（ｂ）の場
合について説明してきたが、電子のエネルギ及び磁界分
布を変えても集束点の数と位置が変わるのみで、試料か
ら最も遠い集束点を通過させるように１次電子を照射す
れば試料面上に１次電子が集束するという現象は変わら
ない。

本発明はとの現象を利用して試料面上に強磁界を印加す
る励磁装置と１次電子の集束位置を制御する焦点合わせ
レンズとを具備し、１次電子と同じエネルギの電子を試
料面から仮想的に放出させたとき形成される電子の集束
点が焦点合わせレンズと試料との間に存在するように焦
点合わせレンズを配置しこれを用いて該集束点の位置に
１次電子を集束させるものである。

第１図は本発明による荷電ビーム観察装置の一実施例を
示す断面図である。同図において、１０１は陰極、１０
２は陽極、１０３は集束レンズ、１０４は偏向器である
。１０５は焦点合わせレンズであり、本実施例では磁界
し／ズである。１０６は励磁装置、１０７は試料、１０
８は２次電子検出器、１０９は陰極１０１から放出され
る１次電子、１１０は試料１０７から放出される２次電
子である。本装置は焦点合わせレンズ１０５と励磁装置
１０６とが組み合わさって対物レンズの働きをすること
を除いては従来の荷電ビーム観察装置と同様であシ、同
様な手順で試料１０７の２次電子像を観察することがで
きる。

このような構成において、試料１０７の上面から１次電
子１０９と同じエネルギを有する電子を仮想的に飛ばし
たときの電子軌道を第２図に示す。同図において、２０
１は焦点合わせレンズ１０５を構成する磁路、２０２は
焦点合わせレンズ１０５を構成するコイル、２０３は励
磁装置１０６を構成する磁路、２０４は励磁装置１０６
を構成するコイルである。試料１０７は磁路２０３の底
に設置されている。磁路２０３の内径ｄｉ約６藺、磁路
２０３と試料１０７上面との距ｌａＳは約ＩＸＩＩであ
り、コイル２０４に約１０ｋＡＴの励磁電流を流すと、
試料１０７の上面に約１゜５　Ｘ　１０　’　ＡＴ／ｍ
の強磁界がかかる。２０５及び２０Ｂは１次電子１０ｇ
と同じエネルギで試料１０７の上面から出発した電子で
ある。２０７　、２０８は電子２０５゜２０６の集束点
である。集束点２０７　、２０８の位置はコイル２０４
の電流と電子２０５　、２０６のエネルギ〈よシー義的
に決まる。電子２０５　、２０６のエネルギと試料１０
７からも遠い集束点２０７の位置Ｚｏとの関係をケンイ
チ　サイトウ（Ｋ１１ａｈｌ　５ａｉｔｏ）　。

ツネオ　オオクボ（Ｔ■ｎ＠ｏ　０ｋｕｂｏ）、キイチ
　タカモト（Ｋ１１ａｈｌ　Ｔｓｋａｍｏｔｏ）＋ヤス
ミチ　ウノ（ＹａｓｕｍｉｅｈＩ　Ｕｎｏ）　＋　マモ
ル　コンドウ（ＭａｍｏｒｕＫｏｎｄｏ）　　ｒ高精度
電子軌道追跡法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｒａｙｔｒａｅｉ
ｎ（ｖｌｔｈ　ｈｌｇｈ　ａｃｅｕｒａｅｙ）Ｊ　、ジ
ャーナルオプ　バキューム　サイエンス　アンド　テク
ノロジー、Ａ４号、　１９１３ページ、　１９８６年（
Ｊ、　Ｖａｔ。

Ｓｅｔ　Ｔ＠＊ｈｎｏ１．　、　Ａ４　、１９１３（１
９８６）に掲載されている電子軌道追跡プログラムによ
って求めた結果を第３図に示す。集束点２０７の位置は
試料１０７上面を基準にした。コイル２０４の電流は約
１０ｋＡＴである。電子２０５　、２０６のエネルギが
約１１ｋｅＶのときを除いて集束点２０１の位置は有限
の値をとる。

電子２０５　、２０６のエネルギが約１１に・Ｖよシ低
いとき、集束点は第２図に示すように２個形成されてい
る（第３図の特性人に対応）。電子２０５　、２０１１
のエネルギが約１１ｋｅＶよシ高いとき、集束点は第４
図に示すように１個に減少する（第３図の特性Ｂに対応
）。本実施例では磁路２０１の下面が試料１０７の上面
から２０ｍ上方にくるよう焦点合わせレンズ１０５を配
置している。このため、コイル２０４ノ電流が約１０　
ｋＡＴの条件下では、約１１ｋＩＶ付近を除く５〜２５
ｋＶの全ての電子エネルギにおいて、集束点２０７を試
料１０Ｔと焦点合わせレンズ１０５との中間に形成する
ことができる。したがって以下に述べる方法を用いると
、約１１ｋｅＶ付近を除く５〜２５　ｋ＠Ｖの全てのエ
ネルギにわたって１次電子１０９を試料１０Ｔの上面に
集束させることができる。

１次電子１０９を試料１０７の上面に集束させる手順は
以下の通シである。

（１）電子軌道追跡プログラム等を用いてコイル２０４
の電流及び１次電子１０１のエネルギに対応する集束点
２０７の位置Ｚｏを求める。たとえばコイル２０４の電
流をパラメータＫｇ３図のようなＺｏの電子エネルギ依
存性を求め、この図を基にコイル２０４の電流及び１次
電子１０９のエネルギに対応するＺｏを求める。

（２）焦点合わせレンズのレンズ界で形成される１次電
子１０９の集束点が（１）で求めたＺｏの位置にくるよ
うにコイル２０２の電流を設定する。

（３）鮮明な２次電子像が得られるようＫ（２）で設定
した値を初期値としてコイル２０２の電流を微調整する
。

この操作により、１次電子は集束点２０７　、２０８を
順次通って試料１０７面上の点２０９に集束する。

なお、前述し九実施例においては、焦点を合わせるべき
荷電粒子が電子の場合について説明したが、荷電粒子が
ガリウムイオンなど電子以外の場合にも本発明が成）立
つのは自明である。また、焦点合わせレンズが磁界レン
ズの場合について説明したが、焦点合わせレンズが静電
レンズの場合でも本発明が成シ立つのは自明である。た
だし、この場合は静電レンズの印加電圧によ９１次電子
の集束点の位置を制御する。また、電子の集束点が１個
から２個の場合について説明したが、集束点が３個以上
の場合でも本発明が成シ立つのは自明である。また、試
料を励磁装置を形成する磁路上に設置した場合について
説明したが、第５図に示すように試料５０１を励磁装置
５０２の上あるいは下においた場合にも本発明が成シ立
つのは自明である。ここで、第５図（ａ）は試料５０１
を励磁装置５０２の上に置いた場合、第５図伽）は試料
５０１を励磁装置５０２０下に置いた場合である。また
、計算鏡体制御できる荷電ビーム観察装置に以上に述べ
た本発明の焦点合わせ方法を適用すれば、計算機によル
自動的に焦点合わせができることも自明である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明による荷電ビーム観察装置お
よびその焦点合わせ方法によれば、焦点合わせレンズを
１次電子と同じエネルギの電子を試料面から仮想的に放
出させ九とき形成される電子の集束点（複数集束点が形
成される場合は試料よシ最も遠い集束点）が焦点合わせ
レンズと試料との間に存在するように配置し、これを用
いて該集束点の位置に１次電子を集束させているので、
試料に強磁界をかけても１次電子を試料上面に集束させ
ることができる。したがって、強磁界下での試料面の２
次電子像が鮮明に得られ、スルーホール底部の２次電子
像観察が可能と々る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の荷−電ビーム観察装置の図、第２図は
本発明の荷電ビーム観察装置における焦点合わせレンズ
及び励磁装置の構造および電子軌道を示す図、第３図は
本発明の実施例における集束点位置の電子エネルギ依存
性の図、第４図は本発明の実施例における焦点合わせレ
ンズおよび励磁装置中を通る電子の軌道を示す図、第５
図は本発明を適用する別の荷電ビーム観察装置の励磁装
置と試料との位置関係を示す図、第６図は従来の荷電ビ
ーム観察装置の図、第７図は従来の荷電ビーム観察装置
において対物レンズの励磁電流を増大させていったとき
のビーム軌道変化を示す図、第８図は強磁界下で試料か
ら出発する電子の軌道を示す図である。 １０１・・・・陰極、１０２・・・・陽極、１０３・・
拳・集束レンズ、１０４・・・・偏向器、１０５＠・・
・焦点合わせレンズ、１０Ｂ・・・譬励磁装置、１０７
・・会・試料、１０８拳・・・２次電子検出器、１０９
・・・・１次電子、１１０・・・−２次電子、２０１・
Φ・”ａ路、２０２・・・Φコイル、２０３−・・・磁
路、２０４・・φ・コイル、２０５　、２０６　＠・・
・電子、２０７　、２０８・・・・電子２０５　、２０
６の集束点、２０９・・争・電子２０５　、２０６の出
発点、５０１・・Φ・試料、５０２・・・・励磁装置、
６０１・・・・陰極、６０２・・・・第１陽極、６０３
・・・・第２陽極、６０４・・・・集束レンズ、６０５
・・・・偏向コイル、６０６・・・・２次電子検出器、
６０７・・噛・対物レンズ、６０８・・・・試料、６０
９・・・−１次電子、６１０・・・・２次電子、７０１
・・・・１次電子、７０２・・・・１次電子７０１の集
束点、７０３・・・・１次電子、７０４・拳・・１次電
子７０３の集束点、８０１・・・・試料、８０２＠・・
・回転対称な磁界の中心軸、８０３，８０４・・・・電
子、８０５・・・・電子の集束点。 特許出願人　日本電信電話株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）１次電子を放出する電子銃と、前記１次電子を試
   料に照射するとともに走査する１次電子照射軌道制御部
   と、前記１次電子の照射により前記試料から放出する２
   次電子を検出する２次電子検出器と、前記試料面上に強
   磁界を発生させる励磁装置と、前記１次電子の集束位置
   を制御する焦点合わせレンズとを備え、前記１次電子と
   ほぼ同等のエネルギの電子を前記試料面から仮想的に放
   出させたときに形成される該電子の集束点が、前記焦点
   合わせレンズと前記試料との間に存在するように前記焦
   点合わせレンズを配置し、該集束点の位置に前記１次電
   子を集束させることを特徴とした荷電ビーム観察装置。
2. （２）１次電子を放出する電子銃と、前記１次電子を試
   料に照射するとともに走査する１次電子照射軌道制御部
   と、前記１次電子の照射により前記試料から放出する２
   次電子を検出する２次電子検出器と、前記試料面上に強
   磁界を発生させる励磁装置と、前記１次電子の集束位置
   を制御する焦点合わせレンズとを備え、予め前記励磁装
   置の磁場の大きさと、前記１次電子とほぼ同等のエネル
   ギの電子を前記試料面から仮想的に放出させたときに形
   成される該電子の仮想的な集束点の位置とを求めておき
   、前記焦点合わせレンズと前記試料との間に形成される
   前記仮想的な集束点の位置に前記１次電子を集束させる
   ように前記焦点合わせレンズの励磁電流もしくは印加電
   圧を設定することを特徴とした荷電ビーム観察装置の焦
   点合わせ方法。