JPH01197951A

JPH01197951A - 走査型電子顕微鏡

Info

Publication number: JPH01197951A
Application number: JP2030788A
Authority: JP
Inventors: Kenji Ota; 研二太田; Yoji Ogawa; 洋司小川; Kanji Wada; 和田　寛次
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-01-30
Filing date: 1988-01-30
Publication date: 1989-08-09

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、走査型電子顕微鏡に係わり、特に対物レンズ
構成の改良をはかった走査型電子顕微鏡に関する。

（従来の技術）近年、半導体等の非導電性試料表面を非破壊で、なおか
つチャージアップない状態で観察する手段として、加速
電圧かＩＫＶ程度の低加速の走査型電子顕微鏡（以下、
ＳＥＭと略記する）が実用化されている。しかし、低加
速では対物レンズの収差が増大するために、電子ビーム
の分解能が低下し高分解能は得られない。

また、ＳＥＭを高分解能スヒするために、第４図に示す
ように、上部磁極片４１．下部磁極片４２及びコイル４
３から構成された対物レンズ４０のギャップ間隙に試料
５０を載置する方法が提案されている。この方法では、
対物レンズ４０の収差を極力小さくすることができるた
め、低加速電圧であっても高分解能化がはかれる。

しかしながら、この種のＳＥＭにあっては次のような聞
届があった。即ち、対物レンズのギャップの内部に試料
と試料ステージを配置するために、試料の大きさは対物
レンズの大きさと、試料ステージ設計の面からの制約で
限られてしまい、現実的にはｌＯ＋ｎｍφ〜２０ｆｆｉ
ｍφ程度の大きさまでとなる。

このため、半導体関係で、ウェハサイズの試料を非破壊
で観察したいと云う要求を満たすことは困難である。

（発明が解決しようとする問題点）このように従来、低加速電圧のＳ　Ｅ　Ｍの高分解能化
をはかるためには対物レンズ内に試料を配置する必要が
あるが、この場合は大面積試料の観察を行うことが困難
であった。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的
とするところは、分解能の低下を招くことなく、大面積
の試料の非破壊観察を行うことができ、半導体ウェハ等
の表面観察に適した走査型電子顕微鏡を提供することに
ある。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明の骨子は、対物レンズを構成する磁極片の改良に
より、大面積の試料を対物レンズ内に配置可能とするこ
とにある。

即ち本発明は、試料を載置した試料台を対物レンズ内に
配置し、試料に電子線を照射して該試料の電子線像を観
察する走査型電子顕微鏡において、前記対物レンズを、
電子線透過孔を有する上部磁極片と、電子線透過孔を有
しない下部磁極片とで（を成し、前記試料台を、前記上
部磁極片と下部磁極片との間にこれらの磁極片の対向方
向と直交する方向に移動ｒ′ｉＩ能に設けるようにした
ものである。

また本発明は、上記走査型電子顕微鏡において、前記対
物レンズを、電子線透過孔を有する上部磁極片と、電子
−線透過孔を有しない第１磁極片及び電子線透過孔を有
する第２磁極片を選択的に交換可能な下部磁極片とで構
成し、前記下部磁極片として第１磁極片を選択した場合
は該第１磁極片と上部磁極片との間にこれらの対向方向
と直交する方向に移動ｊ＝１能な第１試料台を配置し、
前記下部磁極片として第２磁極片を選択した場合は試料
傾斜可能な第２試料台を該第２磁極片の電子線透過孔か
ら対物レンズ内に挿入するようにしたものである。

（作　用）本発明によれば、対物レンズを構成する下部磁極片を電
子線透過孔のない構造としているので、上部磁極片と下
部磁極片との間に電子線の通る部分以外にも試料が通る
だけのギャップを設けることができる。従って、上部磁
極片と下部磁極片との間に大面積の試料を配置すること
がてき、半導体ウェハ等の試料の非破壊検査を行うこと
が可能となる。また、下部磁極片に電子線透過孔を設は
小径の試料台を鎖孔を通して対物レンズ内に挿入するこ
とにより、゛試ｔ１を傾斜させた状態で観察することも
可能となる。

（実施例）まず、実施例を説明する前に本発明の基本原理を、第３
図を参照して説明する。対物レンズ１０を上部磁極片１
１．下部磁極片１２及びコイル１３で（ＩＩ４成し、上
部磁極片１１には電子線透過孔を形成し、下部磁極片１
２には電子線透過孔がないものとする。この場合、第３
図に示すようにレンズ内部の磁力線は、主に上部＆Ｉｉ
極片１１の電子線透過孔から出て、下部磁極片１２に垂
直に入る。この磁力線／））／Ｉｉは、前記第４図に示
す従来の対物レンズのうち、上部磁極片４１の透過孔と
下部磁極片４２の透過孔の直径が同じ場合のレンズ中心
から上の磁力線分布と等価である。

従って、対物レンズの収差も等価となり、第３図の構成
であっても第４図のも■成と同様に高分解能が得られる
ことになる。これを−歩進め、上部磁極片１１と下部磁
極片１２との間に所定の間隙を設けることにより、対物
レンズ１０内に大面積の試料を配置することが可能とな
る。

以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わるＳＥＭの対物レンズ
ｔ１４成を示す断面図であり、（ａ）は大面積試料の中
心部を観察した状態、　（ｂ）は周辺部を観察した状態
を示している。図中１０は対物レンズであり、このレン
ズ１０は電子線透過孔を有するん１字型形状の上部磁極
片１１．＊子線透過孔を有しない平板形状のド部磁極片
１２及びコイル１３から構成されている。上部磁極片１
１と下部磁極片１２との間には、後述する試料台が通る
だけの間隙Ｃが設けられている。

下部磁四片］２上には、半導体ウェハ等の試料２０を、
＆ｌｃｑした試料台２１が配置されている。また、下部
磁極片１２は、試料面積に比して十分広い面積を持ち、
試料ステージ２２上に固定されている。そして、試料ス
テージ２２の移動により、下部磁極片１２及び試料２０
を載置した試料台２１は、各磁極片１１．１２の対向方
向と直交する方向（水平方向）に移動されるものとなっ
ている。なお、上部磁極片１１の電子線透過孔の径Ａ。

上部磁極片１１の下端から試料表面までの距ｉ！ｉｉＢ
及び各磁極片１１．１２間の距離Ｃは、Ｃ＞Ａ＞Ｂの関係を満足するように設定されている。

このような構成であれば、上部磁極片１１と下部磁極片
１２との間隙Ｃ１つまり対物レンズ１０のギャップを試
料２０及び試料台２１の高さの和よりも大きくしておけ
ば、対物レンズ１０の大きさに関係なく、対物レンズ１
０内に大面積の試料２０を配置することができる。従っ
て、低加速電圧のＳＥＭにおけるレンズ収差の小さい条
件で電子線像の観察を行うことがてき、大面積の試料２
０を非破壊で且つ高分解能で観察することが可能となる
。

ここで、上部磁極片１１と下部磁極片１２との間には、
電子線の通る部分以外にも試料２０及び試料台２１か通
るだけのギャップがあるが、このギャップによる漏れ磁
束は、上部磁極片１１の電子線透過孔から十分離れてい
るために、電子線の軌道には殆ど影響を及ぼさない。従
って、前記第４図に示す構造と同様に高分解能を得るこ
とができる。

また、上部磁極片１１の電子線透過孔径Ａと上部磁極片
１１の下端から試料表面までの距離Ｂとの関係は、ＳＥ
Ｍの分解能に大きく係わって（る。

本発明者等の実験によれば、Ａ＜Ｂだと対物レンズ１０
の収差か大きくなり分解能が著しく低下した。また、Ａ
−Ｈの場合１００人程度の比較的良好な分解能が得られ
た。さらに、Ａ＞Ｂとすることにより、前記第４図の構
成と同等若しくはそれ以上の分解能が得られた。本実施
例では、Ａ　＝　３　ｍｍ。

Ｂ　＝　２１１１ｍとすることにより、２０人と従来に
ない高分解能を達成することができた。また、レンズの
収差をより小さくするには、対物レンズ１ｏのギャップ
Ｃは八よりも大きい方が望ましいものであった。

かくして本実施例によれば、対物レンズ１０の下部磁極
片１２を電子線透過孔を有しない平板形状としているの
で、大面積の試料２０及びその試料台２１を対物レンズ
１０内に配置することができ、該試料２０の表面観察を
行うことができる。

このため、半導体ウェハ等の大面積試料を高分解能で且
つ非破壊でＳＥＭ観察することが可能となり、その有用
性は絶大である。さらに、前述したＡ、Ｂ、Ｃの値を最
適化することにより、より一層の高分解能化をはかり得
る。また、試料ステージ２２を対物レンズ磁界の外へ置
くことが可能となり、磁性体、非磁性体に拘らずその材
質を選べること、試料ステージ２２の大きさが対物レン
ズ１０の大きさによらないで設計できる等の利点もある
。

第２図は本発明の他の実施例を説明するための断面図で
ある。なお、第１図と同一部分には同一符号を付して、
その詳しい説明は省略する。

この実施例は対物レンズを構成する上部磁極片を２種の
磁極片で交換ｉ１能としたものである。即ち、本実施例
における下部磁極片は第２図（ａ）に示す如く電子線透
過孔を有しない平板状の第１磁極片１２ａと、同図（Ｉ
））に示す如く電子線透過孔を有する第２磁極片１２ｂ
とで交換可能となっている。第１６！ｊ、ｈ片１２ａは
前記第１図の下部磁極片１２と同様であり、この場合第
１図の例と同様の検査を行うことができる。即ち、第１
磁極片１２ａを固定した試料ステージ２２を移動するこ
とにより、大面積の試料２０ａを載置した第１試料台２
１．　ａを水平方向に移動し、試料表面の電子線像観察
を行うことができる。

一方、第２磁極片１２ｂは袋ナツトの形状とｔ工ってお
り、上部磁極片１１に締結して取付けられる。そしてこ
の場合、第２磁極片１２ｂの電子線透過孔よりも小径の
第２試料台２１ｂに載置された小面積の試料２０ｂは、
試料ステージ２２上に固定された試料台２１ｂを第２磁
極片１２ｂの電子線透過孔から挿入することにより、対
物レンズ内に配置される。このとき、試料台２１ｂを傾
は試料２０ｂを傾けた状態で観察することが可能となる
。

第２図（ａ）から同図（ｂ）への変換作業としては、ま
ず（ａ）の試料台２１ａと共に下部磁極片としての第１
磁極片１２ａを試料ステージ２２から取外す。その後、
（ｂ）のように下部磁極片としての第２磁極片１２ｂを
上部磁極片１１に固定する。また、試料ステージ２２に
は、小試料専用の試料台２１ｂと試料２０ｂを装着する
。なお、第２磁極片１２ｂは大面積の試料の非破壊観察
の時に十分な分解能をｊする寸法パラメータの内、上部
磁極片１１に関する寸法パラメータをそのまま残し、且
つ小試料を傾斜させた時においても分解能が低下しない
寸法パラメータによって、第２磁極片１２ｂの形状寸法
が決められている。

本実施例によれば、先の実施例と同様の効果は勿論のこ
と、簡単な操作によって、１台の装置で大面積試料の非
破壊観察、小試料の傾斜観察を同程度の高分解能で行う
ことが可能となる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、前記試料台に試料ステージの機能を持た
せることにより、下部磁極片は移動しない機（１ηとし
てもよい。また、本発明は半導体ウェハサイズの試料に
適応できることから、走査型電子顕微鏡にとどまらず、
電子線描画装置や電子線測長装置等に応用することも可
能である。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形し
て実施することができる。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、対物゛レンズの一
ド部磁極片を電子線透過孔を有しない構造とし、上部磁
匪片及び下部磁極片との間に試料を載置した試料台を配
置する構成としているので、半導体ウェハ等の大面積の
試料であっても高分解能で非破壊観察を行うことが可能
となる。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の一実施例に係わるＳＥＭのχ・Ｉ物し
ンズＨＩｉ成を示す断面図、第２図は本発明の他の実施
例を説明するための１折面図、第３図は本発明の基本原
理を説明するための断面図、第４図は従来の問題点を説
明するための断面図である。１０・・・対物レンズ、１１・・・上部磁極片、１２・
・・下部磁極片、１２ａ・・・第１磁極片、１２ｂ・・
・第２磁極片、１３　・・・コイル、２０，２０ａ、２
０ｂ・・・試料、２１・・・試料台、２１ａ・・・第１
試料台、２１ｂ・・・第２試料台、２２・・・試料ステ
ージ。出願人代理人　　弁理士　鈴江武彦第１図第２図＼第３図第４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）試料を載置した試料台を対物レンズ内に配置し、
試料に電子線を照射して該試料の電子線像を観察する走
査型電子顕微鏡において、前記対物レンズは、電子線透
過孔を有する上部磁極片と、電子線透過孔を有しない下
部磁極片とからなり、前記試料台は、前記上部磁極片と
下部磁極片との間にこれらの磁極片の対向方向と直交す
る方向に移動可能に設けられたものであることを特徴と
する走査型電子顕微鏡。
（２）前記下部磁極片は、前記試料台と共に移動可能に
設けられていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の走査型電子顕微鏡。
（３）前記上部磁極片の孔径Ａと、該上部磁極片の下端
から試料表面までの距離Ｂとを、Ａ＞Ｂなる関係に設定
したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の走査
型電子顕微鏡。
（４）前記各磁極片間の間隙Ｃを、Ｃ＞Ａなる関係に設
定したことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の走
査型電子顕微鏡。
（５）試料を載置した試料台を対物レンズ内に配置し、
試料に電子線を照射して該試料の電子線像を観察する走
査型電子顕微鏡において、前記対物レンズは、電子線透
過孔を有する上部磁極片と、電子線透過孔を有しない第
１磁極片及び電子線透過孔を有する第２磁極片を選択的
に交換可能な下部磁極片とからなり、前記下部磁極片と
して第１磁極片を選択した場合は該第１磁極片と上部磁
極片との間にこれらの対向方向と直交する方向に移動可
能な第１試料台を配置し、前記下部磁極片として第２磁
極片を選択した場合は試料傾斜可能な第２試料台を該第
２磁極片の電子線透過孔から対物レンズ内に挿入するこ
とを特徴とする走査型電子顕微鏡。
（６）前記第１磁極片は、前記第１試料台と共に移動可
能に設けられていることを特徴とする特許請求の範囲第
５項記載の走査型電子顕微鏡。
（７）前記上部磁極片の孔径Ａと、該上部磁極片の下端
から試料表面までの距離Ｂとを、Ａ＞Ｂなる関係に設定
したことを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の走査
型電子顕微鏡。
（８）前記上部磁極片と下部磁極片との間隙Ｃを、Ｃ＞
Ａなる関係に設定したことを特徴とする特許請求の範囲
第７項記載の走査型電子顕微鏡。