JPH02126545A - 走査型電子線装置 - 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１ 外乱磁場を遮断し、大型試料を高分解能観察可能にした
走査型電子線装置に関する。

〔従来の技術１ 近年、半導体試料を、低損傷、無帯電で観察するために
、低加速電圧で観察することが望まれているが、上述の
従来の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）では１分解能が不足
することがある。このため、試料を対物レンズ磁場内に
設置し分解能を向上させた、いわゆるインレンズＳＥＭ
が開発されている。ところが、このインレンズＳＥＭで
観察できる試料の大きさは１通常たかだか１０φ程度で
ある。したがって、最近要望の強い６インチウェハー等
の大型試料を観察するためには、満足すべきものとはい
えず、大型試料を高分解能で観察する新たな装置が望ま
れている。

この試みとして、特開昭５８−１６１２３５号公報に記
載の装置が提案されている。これは、第８図（同公報第
５図参照）に示すように、対物レンズ２９の１ｉｆｌ極
を上側磁極２０、下側ＥＲ極２１に分割配置し、これら
の磁極間において、当該磁極の配置方向に対して交差す
る方向に延びる試料収容空間２８を形成するとともに、
磁極間隙内に対物レンズ磁極面より大きな面積を有する
試料ホルダー１４ａを配置した構成の走査型電子線装置
である。さらに、該公報には、下側電極の磁極を取り払
った例（同公報第１Ｏ図参照）も開示されており、これ
により、収容空間を拡大して各種検出器を配置したり、
あるいは、試料ホルダの取り付は自由度を増大させるこ
とを図っている。

さらに、大型試料を高分解能で観察するための手段とし
ては、対物レンズとして第９図ａで示すような単極磁界
型レンズ５を用いる走査型電子線装置が考えられる。単
極磁界型レンズ５は、第９図ａに示すように軸対称構造
であり、試料１３に対向する頂面１０ａを含む内筒１０
と、端面９を有する外筒、および励磁コイル６よりなる
。該レンズの両６ｎ極である内筒頂面１０ａ８よび外筒
端面９は、試料１３に対し、同じ側に配置されている。

これに接続される電子銃、集束レンズ等は、ａ側あるい
はｂ側が考えられ、電子ビームは、各々、５ａ側から、
あるいは、５ｂ側から試料１３を照射する。いずれの場
合においても、通常のＳＥＸの対物レンズにおけるより
も小さい球面収差係数Ｃ８、色収差係数Ｃｃを有するレ
ンズを得ることが可能である。（文献・Ｓ、Ｍ　　ＪＵ
ＭＡｅｔ　　ａｔ、１９８３　　Ｊ、Ｐｈｙｓ、ＥＳｃ
ｉ、Ｉｎｓｔｒｕｍ、、Ｖｏｌ、１６　　Ｐｉこのレン
ズにより形成される６ｎ束分布、および、光軸方向のｍ
束密度Ｂｚ分布を、第９図すに示す。磁束密度Ｂｚの分
布は、内筒頂面１０ａ付近に最大値を有し、ａ方向に急
速に、ｂ方向になだらかに減衰する分布を有している。

試料１３は、＆Ｒ束富度Ｂｚの最大値付近に設置するこ
とができ、インレンズＳＥＭ同様、高い分解能を得るこ
とが可能である。しかも、対物レンズ両磁極は、試料の
片側に配置されているため、大きな試料および試料ステ
ージの収容空間を設けることができ、大型試料の観察が
可能である。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、第８図に示した従来の例では、試料ホル
ダは、平板形状である必要がある。ところが、ＳＥＭの
試料ステージとしては、ＸＹ移動１回転、傾斜の機能が
要求されるが、これらの機能を大径で平板の試料ホルダ
ーを用いて達成することは困難である。

同公報には、既に述べたように、下側磁極片を取り払っ
た例（同公報第１０図）も開示されているが、この場合
には、上記機能を有する試料ステージを組み込むことは
可能である。しかしながら、この構成では、試料室が対
物レンズ磁気回路の一部を構成しているため、該試料室
が非対称性を有していると、電子光学系が影響を受け、
軸不良、非点収差の発生が避は得ないという欠点がある
。

また、第９図に示した例では、内筒頂面と外筒端面が、
６Ｒ極を構成するため、良い軸対称性が得られるが、一
方、試料周囲は、６ｎ性体により囲まれていないため、
外乱磁場の影響を受は易く、特に、低加速電圧観察にお
いて支障がある。この場合、他のｍ性体により、試料周
囲を磁気シールドすることが考えられるが、方法によっ
ては、該６ｎ気シールド材が磁気回路の一部を形成し、
単極磁界型レンズの磁場を乱し、所定の性能が得られな
い上に、軸不良、非点収差が生ずる等の不都合が生ずる
。

そこで１本発明では走査型電子線装置の対物レンズに、
試料空間を太き（取れる単極磁界型レンズを使用し、か
つ、試料周囲を磁気シールドするにもかかわらず、Ｍｌ
磁気シールドよる前述の不都合が全く存在しない走査型
電子線装置を提供することを目的とする。

Ｃ課題を解決するための千ｌ！ｊ］ 本発明が上記目的を達成するために採用する手段は、 電子銃、集束レンズ、走査系、対物レンズ、電子−検出
系を有する走査型電子線装置において、対物レンズが単
極磁界型レンズで構成されるとともに、試料周囲に磁気
シールド部材が設けられ、かつ、該単極磁界型レンズの
外筒端面の内半径なＲとし、該単極磁界型レンズの内筒
頂面とこれに光軸方向に対向する該磁気シールド部材と
の距離をＬとしたとき。

Ｌ≧Ｒを満足すると共に、 該単極６ｎ界型レンズの外筒端面と、該磁気シールド部
材とが、６ｆｌ気的間隙を有することを特徴とする走査
型電子線装置である。

また、磁気シールド部材が、試料室を兼ねていることを
特徴とする走査型電子線装置である。

［作用］ 本発明の作用について第５図の作動原理説明図に基づい
て説明する。

第５図に示すように、単極６ｎ界型レンズ５の頂面１０
ａからのしの距離に磁性体円板１６ａを設置し、Ｌの変
化に対する磁場分布の変化を調べる。単極磁界型レンズ
５が単独で存在する（ｉｉｆｉ性体円板体円板）場合の
ｍ束密度Ｂｚの最大値（実測値）をＢｏｐとし、該円板
が頂面２よりＬの距離に設置される場合のＢｚの最大値
（実測値）をＢｐとする。第６図に、ＢｐのＢｏｐに対
する変化の割合（Ｂｐ−Ｂｏｐ）／Ｂｏｐを、Ｌ／Ｒに
対して示す。但し、Ｒは、第５図に示すように外筒端面
９の内半径である。第６図によれば、Ｌ＜（１／１０）
　　・Ｒでは、ＢｐはＢｏｐの２倍以上になるが、Ｌ＞
　（８／１０）　　・Ｒでは、ＢｐはＢｏｐと１％程度
以下にしか違わないことがわかる。さらに、Ｌ≧Ｒでは
、磁性体円板があるときの磁束密度のピーク値Ｂｐは、
単極磁界型レンズ５が単独で存在する場合のピーク値Ｂ
ｏｐと等しい。また、ピーク値以外のＢｚの分布も円板
がある場合と無い場合も一致することを確認した。すな
わち、Ｌ≧Ｒでは、磁性体円板は、単極磁界型レンズの
６ｎ気回路を形成していないといえる。

第６図の関係は、内筒頂面１０が外筒端面９と同一面に
ある場合、あるいは、内筒頂面ｌＯが外筒端面９よりひ
っこんでいる場合についても同様のグラフが得られる。

次に、第３図において、Ｌ≧Ｒの関係を保ち、単極６１
１界型レンズの外筒端面と磁気シールド部材との６ｎ磁
気的隙εを変化させた場合の、ＢｐのＢＯｐに対する変
化の割合（Ｂｐ−Ｂｏｐ）／Ｂ。

ｐをＬ／Ｒに対して第７図に示す。

ｅ＝０、すなわち、単極磁界型レンズ外筒端面９と、磁
性体外商１６が、磁気的に接続されており、また、内筒
頂面１０ａと、磁性体外筒底面との距離りが、Ｌ≧Ｒを
満たすときの磁束密度Ｂｚの最大値Ｂｐは、単極磁界型
レンズ５が、単独で存在する場合の最大値Ｂｏｐより２
０％程度大きいが、さらに、第７図より磁気的間隙ｅを
増していくとＢｐは、急速にＢｏｐに近付くことがわか
る。すなワチ、Ｒ≧（２／Ｉ　Ｏ）−Ｒでは、Ｂｐは、
Ｂｏｐと１％程度以下しか異ならず、さらに、ａ≧（１
／３）　　・Ｒでは、ｓｐはＢｏｐと等しい。したがっ
て、実質的には、磁気的間隙があればよいといえる。

以上述べたように、磁気シールド部材１６と単極６ｎ界
型レンズ５とを本発明の構成のように設置するとき、該
磁気シールド部材１６は、単極磁界型レンズ５の磁気回
路を形成せず、外乱磁場のシールド体として機能するこ
とがわかる。このとき、該６ｎ気シ一ルド部材は、軸対
称である必要はなく、矩形形状でもよいので、他の検出
器等の取り付けも容易となる。

なお、第３図においては　単極磁界型レンズ５の外筒半
径と、Ｆｆｉ性体外筒（磁気シールド部材）半径とが同
一径である場合を示しているが、両者の外筒径は必ずし
も同一である必要はなく、何れが太き（でも第７図の関
係が成立することを確認した。

〔実施例１ 第１図に本発明の実施例を示す。電子銃２、集束レンズ
３を通過してきた電子線４は、単極１ｉｆｌ界型レンズ
５により集束され、走査系コイル７により試料１３面上
に走査される。試料１３は単極ｆｉｌ界型レンズ５のつ
くる磁界内に設置されているため、試料が、磁界外に設
置される通常のＳＥＸ対物レンズの場合よりも小径の電
子プローブが得られる。電子プローブ照射により、試料
１３より出た２次電子線は、単極Ｇｎｎ梨型レンズが形
成する磁界に拘束されて、試料前方に取り出され、単極
レンズ内筒内に設けられた２次電子検出器１１により検
出される。また、大径の試料１３は、試料ステージ１４
上に設置されており、ＸＹ移動、回転、傾斜が可能とさ
れる。

該単極Ｎｉｌ界型レンズ５は、非磁性材よりなる試料室
１２に接続されており、試料室１２は、磁性材１６によ
り、磁気シールドされている。試料室１２および磁気シ
ールド部材１６は、光軸対称である必要はなく、矩形構
造をしていてもよい。磁気シールド部材１６と、単極磁
界型レンズ５の頂面との距離りは、単極磁界型レンズｌ
の外筒の内半径Ｒと等しいか、成るいは大きくされてい
る。

また、磁気シールド部材１６は、単極磁界型レンズ外筒
端面９と、光軸と直角方向に■気的間隙βを有している
。

第２Ｍは１本発明の第２の実施例の要部を示す、試料室
１２は、磁性体で構成されており、５Ｔ′１気シールド
を兼ねている。第１図と同様、磁性体よりなる試料室１
２と、単極…異型レンズ５の頂面１０ａとの距離りは、
単極磁界型レンズの外筒８の内半径Ｒと等しいか成るい
は大きくされている。また、磁性体よりなる試料室１２
は、単極Ｅｎｎ梨型レンズ外筒端面９と、磁気的間隙２
を有している。

第１、第２の実施例において、該五ｎ気シールド部材、
あるいは、ｍ性体よりなる試料室は、単極磁界型レンズ
５のＮｆｉ気回路を構成せず、外乱６ｎ場シ一ルド体と
してのみ作用することは、〔作用１の項において述べた
とおりである。

第３図は、第３の実施例の要部を示す図であって、これ
の説明は既に、［作用１の項において述べたので省略す
る。

第１図〜第３図では、電子銃、集束レンズからの電子が
、単極６ｎ界型レンズ内筒を通過して後、試１４を照射
する例を示しているが、第４図に示すごとく、単極磁界
型レンズを天地逆にしてもよい。このとき、電子線４は
、単極磁界型レンズ頂面前方に生じる磁界により、試料
１３に集束され、生じた２次電子は、磁気シールド部材
１６の前方に設けられた２次電子検出器１１により検出
される。第１図と同様に、単極磁界型レンズ頂面１０ａ
と、磁気シールド部材１６との距離りは、単極磁界型レ
ンズ５の外筒端面９の内半径Ｒよりも等しいかあるいは
大きく設定され、磁気シールド部材１６は、外筒端面９
と磁気的間隙！を有している。

［発明の効果］ 上記の構成よりなる本発明の走査型電子線装置は、その
対物レンズに試１４空間を大きく取れる単磁極型レンズ
を使用し、かつ、試料周囲を磁気シールドするにもかか
わらず、既に述べたように、単極磁界型レンズの磁場分
布を乱さず、効果的に試料前方の外乱磁場をシールドす
るため、軸ズレ、非点収差を生じることなく、試料を高
分解能で観察できる。

また、試料空間を太き（取れるため、ＸＹ移動１回転、
傾斜可能な試料ステージを組み込むことが容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例を示す図面、第２図は
、本発明の第２の実施例の要部を示す図面、第３図は１
本発明の第３の実施例の要部を示す図面、第４図は、本
発明の第４の実施例の要部を示す図面、第５図は、本発
明の作動原理を説明する図面、第６図は、Ｌ／Ｒ−（Ｂ
ｐ−Ｂｏｐ）／　Ｂ　ｏ　ｐの関係図、第７図は、１／
Ｒ−（Ｂｐ−Ｂｏｐ）／Ｂｏｐを示す図面、第８図は、
従来の例を示す図面、第９図ａは、単極磁界型レンズの
概念図、第９図すは、単極５ｎ界型レンズの磁束分布を
示す図面である。 １・・　顕微鏡本体 ２・・・電子銃 ３・　　集束レンズ ４・　　電子線 ５　・ ６　・ ７　・ ８　・ ９　・ ｌ　Ｏ・ １１　・ ｌ　２　・ １３　・ １５　・ １６　・ ・単極磁界型レンズ 励磁コイル ・走査系コイル ・外筒 ・外筒端面 ・内筒 次電子検出器 試料室 ・試料 ・試料ステージ ・試料室壁 磁気シールド部材 ・非磁性材 出願人　セイコー電子工業株式会社 代理人　弁理士　　林　　　敬　之　助第１図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電子銃、集束レンズ、走査系、対物レンズ、電子
   −検出系を有する走査型電子線装置において、 対物レンズが単極磁界型レンズで構成されるとともに、
   試料周囲に磁気シールド部材が設けられ、かつ、該単極
   磁界型レンズの外筒端面の内半径をＲとし、該単極磁界
   型レンズの内筒頂面とこれに光軸方向に対向する該磁気
   シールド部材との距離をＬとしたとき、 Ｌ≧Ｒを満足すると共に、 該単極磁界型レンズの外筒端面と、該磁気シールド部材
   とが、磁気的間隙を有することを特徴とする走査型電子
   線装置。
2. （２）磁気シールド部材が、試料室を兼ねていることを
   特徴とする請求項１記載の走査型電子線装置。