JPH031432A

JPH031432A - 電子線装置

Info

Publication number: JPH031432A
Application number: JP1136557A
Authority: JP
Inventors: Akira Yonezawa; 彬米澤
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1989-05-30
Filing date: 1989-05-30
Publication date: 1991-01-08
Anticipated expiration: 2013-07-09
Also published as: JP2772821B2; US5023457A

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、大径の半導体ウェーハを大角度傾斜して、低
加速で高分解能観察できる電子線装置に関する。

Ｃ発明の概要〕電子線装置の対物レンズとして、単極磁界型対物レンズ
を使用して、該対物レンズの形状およびその強度を適切
にすることにより、該対物レンズの収差係数を低減させ
るとともに、試料から生ずる二次電子を効率よく検出す
るようにして、大径の半導体ウェーハを、低加速電圧に
て、大角度傾斜、高分解能観察するようにしたものであ
る。

〔従来の技術〕

近年、半導体開発の製造分野において、大径のウェーハ
を大角度傾斜して、低加速電圧で高分解能観察できる走
査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が望まれている。

このために、対物レンズとして、第３図に示すコニカル
レンズを用いたＳＥＭが開発されている（１９８７．日
本電子ｒａ微鏡学会　２９−１［［−４，日立、清水等
）、このＳＥＭでは、大径の半導体ウェーハを６０゛傾
斜した状態で加速電圧ＩＫＶにて、２０ｎｍの分解能が
得られている。

しかし、この分解能では、半導体ウェーハの高分解能観
察には満足すべきものとはいえない。

さらに、高分解能が得られるＳＢＭとして、試料を対物
レンズポールピース間に設置する、所謂インレンズＳＥ
Ｍがある。このＳＥＭでは加速電圧ＩＫＶにて、分解能
５ｎＩ１１以下が得られており、高分解能の点では満足
できるが、観察できる試料の最大寸法は、１０φ程度と
小径の試料に限られ、大径のウェーハの観察には不向き
である。

また、大径の試料を観察するためのＳＥＭの対物レンズ
として、単極磁界型対物レンズを使用することが考えら
れる。そして、この単極磁界型レンズの磁界分布、収差
係数等の緒特性については、既に解析がなされている＊
　（Ｊｕｍａ　Ｓ　Ｍ　ａｎｄ　Ｍｕｌｖｅ。

Ｔ　１９８０１ｎｓｔ、Ｐｈｙｓ、　Ｃｏｒ＋４．　Ｓ
ｅｔ、　５２　ｐｐ５９　６０等）。

しかしながら、これは第４図に示すような該レンズの内
筒１０の磁極頂面１１と外周の磁極面９とが同一面内に
あり、内筒１０は円錐面を有しない円筒状であるタイプ
についての研究にとどまり、二次電子検出を含めた具体
的構造に関してまでは検討がなされていない。

また、単極磁界型レンズを電子ビームテスタとして用い
る例も知られている（特開昭６３−６９１３５号）が高
分解能像が得られる、小さい収差係数を有する単極磁界
型対物レンズの形状、ディメンションについての報告は
なされていない。

〔発明が解決しようとする課題〕

既に述べたように、超ＬＳＩの集積度がさらに向上する
と、大径のウェーハを低加速電圧にて、大角度傾斜して
、今まで以上の高分解能で観察することが望まれている
。

この発明では、上記の要望を満足するために、電子線装
置の対物レンズとして、高分解能が期待できる単極磁界
型レンズを用い、その配置、形状、レンズ強度を適切に
設定することにより、上述の目的を達成する走査型電子
線装置を提供することを目的としている。

敷桁すれば、大角度傾斜しても従来レンズの分解能を越
えて、例えば、前述のコニカルレンズに見られる２０ｎ
ｍを越える高分解能で観察することができ、当然のこと
ながら、小角度傾斜あるいは傾斜無しの状態では、さら
に高分解能で観察することができる走査型電子線装置を
提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

第１の発明が上記目的を達成するために採用する手段は
、電子線源からみて、試料より手前に磁極頂面が位置す
る単極磁界型対物レンズを有する電子線装置において、
該対物レンズの内筒の磁極頂面手前に２次電子検出器が
設置され、該対物レンズ内筒は、基部が円筒状をなし、
がっ、内筒先端部に設けられた磁極頂面と、該基部と該
磁極頂面と連接する先細状の円錐形状部とからなり、該
対物レンズの内筒の磁極頂面と、上記円錐形状部の円錐
面とのなす交円の直径Ｄ０と磁極頂面に形成された電子
線通過孔の直径り、および上記円錐面と基部とのなす交
円の直径ＤＣとの関係は、４ｆｌ≦Ｄｉ＜Ｄ、≦１８　
ｔｍ　＜　Ｄ　ｃであり、該対物レンズの内筒の円錐形状部の円錐面と該磁極頂面
とのなす角θが、５０”　≦θ≦７０゜であり、該内筒を取り巻く外筒の磁極面は、内筒の磁極頂面より
も電子線源側に近く配置され、試料と該磁極頂面との距
離（ワーキングデスタンス）Ｗと、加速電圧Ｕにおいて
該試料に電子線束をフォーカスする起磁力Ｊ／Ｊ７との
関係をＪ　／、／”Ｕ’　＞　（７，１＜−！２ｉ−）　＋２
．２　）とした単極磁界型対物レンズを設けたことを特
徴とする電子線装置である。

第２の発明は、上記第１の発明にかかる電子線装置にお
いて、上記対物レンズの内筒の基部外周が円錐形状部に
向けて先細の傾斜面を形成していることを特徴とする電
子線装置である。

第３の発明は、上記第１の発明にかかる電子線装置にお
いて、上記対物レンズの内筒の円錐形状部と磁極頂面と
の間に、上記円錐面より小さい角度をもつ傾斜面が設け
られていることを特徴とする電子線装置である。

第４の発明は、上記第２の発明、および第３の発明の特
徴を併せもった電子線装置である。

〔作用〕

まず単極磁界型レンズの作動原理について、第４図に基
づいて説明する。第４図は、内筒１０の磁極頂面１１と
外筒８の磁極面９とが同一面にある単極磁界型レンズ５
で、これの磁界分布については、前述したＪｕｍａ等の
報告がある。

そして、単極磁界型対物レンズの球面収差係数Ｃ１およ
び色収差係数ｃｃは、上記レンズの磁界分布から、特に
説明しない既知の積分公式により求めることができる。

そして、内筒の磁極頂面の径Ｄ０に対する大径の試料の
傾斜角を最大６０°とすると、このときの最小のワーキ
ングデスタンス（対物レンズと試料との距離）Ｗは、Ｗ
　、＝　ｊａｎ（ｉｏｏで、このときの各収差係数Ｃ，
，Ｃ，を上記公式を用いて求め、Ｄｏに対して図示する
と、第５図のようになる。

ここで、加速電圧ＩＫＶで、二次電子像の分解能を１０
ｎｍ以下にするためには、Ｃ９≦１０鶴が必要である。

したがって、第５図より、Ｄ０≦１８０なる条件が得ら
れる。

すなわち、低加速電圧（ＩＫＶ）にて、大径の試料を大
角度（６０°）に傾斜して、Ｉｏｎｓ以下の高分解能で
観察するためには、単極磁界レンズの磁極頂面の直径は
、１８鶴φ以下でなければならないことが分かる。

一次電子線が、試料１４を照射することにより生じた二
次電子線は、内筒１０の磁極頂面１１と、外筒８の磁極
面９との間に生じた磁界（第４図Ｂ２参照）により光軸
付近に拘束され、第６図に示すように、内筒１０の磁極
頂面１１に向かう。

この二次電子線は、該頂面１１に設けられた孔（直径Ｄ
１）を通過して後、内筒１０内に設けられた二次電子検
出器（図示しない）により検出される。

ここで、二次電子線が通過可能な孔の直径り。

の大きさを求める。今、Ｄｏ”１５φ、試料位置Ｗ＝”
−ｔａｎ　６０°　（＝１３ｍｍ）、加速電圧ＵをＩＫ
Ｖとし、二次電子線１７のエネルギーを１０■、二次電
子線の試料とのなす出射角４５°としたときの磁極頂面
１１付近での二次電子線１７の軌道を第６図に示す。

磁極頂面１１に設けられた孔の直径り五の深さは、加工
あるいは強度上、通常２ｆｉ程度必要と考えられる。二
次電子軌道から上記二次電子線１７が、上記深さ２ｆｉ
の孔Ｄｉを通過するためには、上記孔り、は少なくとも
４ｎ以上でなければならないことが分かる。

また、Ｕ−５００Ｖ、二次電子線１７のエネルギーを５
ｖとした場合、Ｄｏ−５φとした場合等についても同様
の値が得られる。

次に該対物レンズの満たすべきフォーカス起磁力の大き
さを求める。

前述（７）　単極磁界型レンズについて、試料位置をパ
ラメータとして、磁極頂面直径Ｄｏに対するフォーカス
起磁力３７５丁　（ＡＴ／Ｖ’Ａ）を第７図に示す。

第７図より、Ｄ０≦１８０では、Ｊ／、ｒ丁はＷ−定の
場合はぼ直線である。そして、第７図から、フォーカス
起磁力は、Ｊ／ｒｒｒ＝ｔ、＋　（−！２−＝３　＋２．２　＜Ａ
Ｔ／ｖｉ＞　・（１１で表される関係式で与えられるこ
とが導かれる。

ここでＡＴ／Ｖ３は単位を示す、当然、Ｄ０≦１８鶴で
は、各収差係数Ｃｓ　、Ｃｃについてばかりでなく、所
要の起磁力も小さくてすむことが分かる。

さらに、実際のレンズにおいては、内筒内に偏向系を組
み込むこと、また、ヨーク部における磁気飽和を防止す
ることの理由により、単極磁界型レンズの内筒の直径Ｄ
Ｃは、ＤＯ（≦１８　ｖａ　）より大きくする必要があ
る（通常５０１１程度以上）。したがって、大径のウェ
ーハを６０°前後に大角度傾斜するために、頂面Ｄ０と
、内筒の円柱面（直径ＤＣ）を、θ−６０゛前後（５０
°　≦θ≦７０°）の円錐面で接続する必要がある。

このようにした場合、フォーカス起磁力３７５丁は、式
（１）で示したものより増大することが分かった。磁場
分布の測定から、θが５０°、６０°および７０’の場
合のフォーカス起磁力のＤ　ｃ　”’　Ｄ　ｏの場合に
対する比に、を第８図に示す。第８図より、ｋ、”＋ｃ
［旦ｍ−ｘ］＋ｘ　　　　　　・・・（２）“ＤＯであることが分かる。但し、定数Ｃはθが５０゜６０°
および７０°の場合、それぞれ０．２６．０．２２およ
び０．１９なる値をとる。

したがって、θ−６０°前後（５０“≦θ≦７０°）の
円錐面を有し、この円錐面が直径り、である内筒の円柱
面にＤｏと別の側で接続している単種磁界型レンズのフ
ォーカス起磁力は、Ｊ／ｒｒｆζ（７，１（旦”）　＋２．２　）×（Ｃ（
肝−１）＋１）　　　（’−二り一〇−４］・・・（３
）であることが分かる。

さらに、大径のウェーハを大角度傾斜するためには、外
筒の磁極面は、内筒の磁極頂面（Ｄｏ）よりも、電子線
側に引っ込んでいる方が、試料との衝突が避けられ都合
が良い。

この場合のフォーカス起磁力Ｊ／ｒＵは、（３）式より
も、さらに大きくなることが分かった。

即ち、外筒の磁極面９が内筒の磁極頂面１１と距＃Ｌだ
け離れている場合（第１図参照）のフォーカス起磁力の
Ｌ＝Ｏの場合のフォーカス起磁力に対する比ｋｇを第９
図に示す。

Ｌ−５０ｍでは、ｋｚ’１．１４＋　　Ｌ；２００ｓ＋
ｍでは、ｋｚ”−１，９となる。６インチウェー八を６
ｏ°（頃斜して、全ウェーハ面を観察する場合、試料設
置とウェーハ頂上との距離は、２５．４Ｘ　６　Ｘ　５
ｉｎ６０’　”１３２１１ｍであるので、Ｌ　＃　１３
２ｍ５＋とすればよい、このとき第９図より、ｋオ＃１
．５である。

第１図より明らかなように、ウェーハの傾斜を６０°ま
で妨げない範囲で、Ｌを１３２１１＋Ｉより小さくする
こともできる。この場合、必要なツーオーカス起磁力Ｊ
／ｒｒｌは、減少するので都合がよい、今後、ウェーハ
の径が、さらに大きくなることも予想されるが、Ｌをあ
まり大きくすることは必要なフォーカス起磁力が大きく
なって好ましくない。

第９図より、ｋ、≦２とするためには、Ｌ≦２００ｍｍ
とすべきであることが分かる。

また、単極磁界型対物レンズの内筒１０の基部を構成す
る円柱面に、第２図に示すように、テーパＡをもたせ、
内筒１０の底部のヨーク断面を増すことにより、基部に
おける磁気飽和を防止して、起磁力を増大させることが
できる。さらに、円錐面と磁極頂面１１との間に、より
小さい傾斜角を設けて、より小さい試料位置Ｗを設定で
きるようにして分解能を向上させることができるが、こ
の場合において、式（３）におけるＤｏは、円錐面の延
長と内筒１０の磁極頂面１１との交円とする。

〔実施例〕

第１図に、本発明の一実施例を示す。本発明の電子線装
置は、電子銃２．集束レンズ３．単極磁界型対物レンズ
５と、試料室１３よりなる。単極磁界型対物レンズ５は
、電子線源２から見て、電子線軸４上において、試料１
４より手前に、内筒１０の磁極頂面１１を有するように
設置されている。該磁極頂面１１の手前は、二次電子検
出器１２および２段の走査コイル７が設けられている。

電子銃２より出た電子線は、集束レンズ３により集束さ
れた後、単極磁界型対物レンズ５により試料１４上に集
束され、走査コイル７により試料１４上に走査される。

試料１４より出た二次電子１７（第６図参照）は、磁極
頂面１１に設けられた孔を通過後、二次電子検出器１２
により検出される。

内筒１０は、傾斜角θが６０゛前後の円錐面を有してい
る。この円錐面は、直径ＤＣの内筒１０の円柱面に接続
されている。

単極磁界型対物レンズの内筒１０の磁極頂面１１の直径
Ｄ０と、この頂面に設けられた孔の直径Ｄ！および円柱
面の直径Ｄｃとは、既に述べたように、４龍≦Ｄｉ＜Ｄ
６　≦１８薦ｍ＜Ｄｃなる範囲の価に設定されている。

また、外筒の磁極面９は、内筒の磁極頂面１１より電子
線源側に引っ込んで位置しており、非磁性材１６を介し
て磁性材よりなる試料室１３に接続されている（この点
については本願出願人が、既に特願昭６３−２７９９８
７号において提案している）。

大径の試料は、６０゛前後の大角度に傾斜することがで
きる。該試料は、頂面の径Ｄ０の大きさで決まる最小の
試料位置Ｗに設置されている。

単極磁界対物レンズ５は、該レンズのコイルに電流を流
すことにより励磁される。この起磁力Ｊ（：コイルに流
れる電流×コイル巻数）の大きさは、試料位置Ｗ、　Ｍ
１極頂面径Ｄ０．内筒円柱の径ＤＣ１円錐面の傾斜θ、
および外筒の磁極面９と、内筒の磁極頂面１１との距離
に依存して定められる。

前述したように、この起磁力Ｊ／ｒｒｌ’は、（３）式
で与えられるＪ／ｒＴｆより大きな値に設定され、集束
レンズ３より出た電子束は、この起磁力による単極磁界
型対物レンズ５の作用により内筒の磁極頂面１１からＷ
の距離にある試料に集束される。

なお、単極磁界型対物レンズの内筒は、第２図に示した
形状でしてもよい。すなわち、θ＃６０゜前後の円錐面
と、磁極頂面１１との間に、より小さい傾斜角、例えば
４５゛程度の傾斜面を設ける。このようにすると、３０
゛程度以下の小さい試料傾斜角度にて、第１図の場合よ
りもより小さい試料位置Ｗに設定できるので、分解能を
向上させることができる。また内筒１０の基部を構成す
る円柱面も第２図Ａのごとく、垂直方向がら若干傾斜を
もたせ、内筒１０底部において、ヨーク断面を増し、磁
気飽和しにくい構造とし、より大きな起磁力を印加可能
にすることもできる。この場合におけるり。は、６０゛
前後の大きな角の傾斜面の延長と内筒１０の磁極頂面１
１との交円とする。

なお、第２図では対物レンズの内筒１０の基部を構成す
る円柱面に、第２図Ａのごとく若干傾斜をもたせ、円錐
面と磁極頂面１１との間により小さい傾斜角をもつ面を
もたせているが、これらは、独立して別々に設けること
ができることは当然であ第１０図に、本発明における第
１図で示した一実施例の収差係数Ｃ，，Ｃｃをワーキン
グデスタンスＷに対して示す。また、第１１図に、Ｗに
対するフォーカス起磁力Ｊ／ｒ丁を示す。但し、単極磁
界型対物レンズの諸次元は下記のようである。

Ｄ、＝１４ｍ璽−φＤゑ一７ｆｌφ、θ−６０゜Ｄｃ＝
１００龍φ　　　Ｌ　　＝１０Ｏｎ第１０図、第１１図
によると、フォーカス起磁力、収差係数Ｃ，，Ｃｅおよ
び分解能は第１２図のようになる。

加速電圧ＩＫＶ、６０°傾斜可能なワーキングデスタン
ス１５１■において、１０ｎＩ１１の分解能が得られる
。

また、ワーキングデスタンス５ｆｉでは、さらに高分解
能５ｎ驕が得られる。さらに、ワーキングデスタンスを
小さくすれば、第１０で示すごとく、収差係数が小さく
なるので、より高分解能像が得られるが、第１１図で示
すように急速に必要なフォーカス起磁力Ｊ／ｒＴＪ−が
増大する。必要なフォーカス起磁力Ｊ／ｒ７ｆを小さく
して、収差係数を小さくするには、磁極頂面１１の径Ｄ
ｏ等を小さくすればよい。例えばり、　＝１Ｏｎ＋φ　
（このときＤｉ−５ｍφ）とすれば、第５図より６０°
傾斜可能なワーキングデスタンスにて、Ｃ，＃２０ｗ、
Ｃｃ＃５．５ｍが得られる。

しかしながら、磁極頂面１１に設けられた孔の径り、を
あまり小さくすると、特に低加速電圧で、ワーキングデ
スタンスが大きいとき、二次電子検出効率が低下するの
で、注意を要する０例えば、Ｄえ一３龍φにすると、加
速電圧ＩＫＶ、６０°傾斜の状態では、Ｄム＃７ｗｍφ
の場合に比して、二次電子検出効率は、１／３以下にな
ってしまい、実用的でない。

〔発明の効果〕

第１３図に、本発明の一実施例と最も小さい値が得られ
ると思われるコニカルレンズにおける分解能の比較を示
す。

本発明では、ワーキングデスタンスＷ＃１５ｆｓ。

試料傾斜角６０’にて、１０ｎ１１の分解能が得られる
。

また、ＷＩｑ５ｍ、試料傾斜角−３０°にて、５ｎ−の
分解能が得られる。

すなわち、従来例に比し、大角度傾斜にて、約１／２の
高分解能、また低角度傾斜にても、約１／３の高分解能
で観察することができ、その効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す全体図、第２図は本発
明の単極磁界型対物レンズの１変形例、第３図は従来の
コニカルレンズを示す図、第４図は単極磁界型対物レン
ズの概念図、第５図は試料を６０°傾斜した場合の最小
ワーキングデスタンスにおける単極磁界型対物レンズの
磁極頂面径Ｄ０に対する収差係数Ｃ，，Ｃｃの関係図、
第６図は試料から出た二次電子が内筒の頂面の孔に進入
するまでの軌道を示す図、第７図は単磁極型対物レンズ
の磁極頂面径Ｄ０に対するフォーカス起磁力Ｊ／ｒＴｆ
’の関係図、第８図は円錐面の試料となす角が５０°、
６０°および７０°の場合における内筒円柱の径り、／
Ｄ、に対するフォーカスの起磁力の増加割合に、を示す
図、第９図は単極磁界型対物レンズの外筒の磁極面が距
ＷｓＬだけ内筒の磁極頂面より引っ込んだ場合のフォー
カス起磁力の増加割合に、を示す図、第１０図は本発明
の一実施例においてワーキングデスタンスＷに対する収
差係数Ｃ１、Ｃｃの関係図、第１１図は本発明の一実施
例においてワーキングデスタンスＷに対するフォーカス
起磁力Ｊ／（”Ｈの関係図、第１２図は本発明の一実施
例においてワーキングデスタンスＷに対する単極磁界型
対物レンズの諸室数を示す図、第１３図は本発明におけ
る単極磁界型対物レンズを用いた電子線装置の分解能と
コニカルレンズを用いた従来例における分解能との比較
を示す図である。・・顕微鏡本体・・電子銃・・集束レンズ・・電子線軸・・単極磁界型対物レンズ・・励磁コイル走査系コイル外筒外筒の磁極面内筒内筒の磁極頂面二次電子検出器試料室試料試料室壁非磁性材二次電子コーク以上出願人　セイコー電子工業株式会社代理人　弁理士　林　　敬　之　助第因第図第図第図第Ｗニア−へシグデはグシス１３図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電子線源からみて、試料より手前に磁極頂面が位
置する単極磁界型対物レンズを有する電子線装置におい
て、該対物レンズの内筒の磁極頂面手前に２次電子検出器が
設置され、該対物レンズ内筒は、基部が円筒状をなし、かつ、内筒
先端部に設けられた磁極頂面と、該基部と該磁極頂面と
連接する先細状の円錐形状とからなり、該対物レンズの内筒の磁極頂面と、上記円錐形状部の円
錐面とのなす交円の直径Ｄ＿ｏと磁極頂面に形成された
電子線通過孔の直径Ｄ＿ｉおよび上記円錐面と基部との
なす交円の直径Ｄ＿ｃとの関係は、４ｍｍ≦Ｄ＿ｉ＜Ｄ
＿ｏ≦１８ｍｍ＜Ｄ＿ｃであり、該対物レンズの内筒の円錐形状部の円錐面と該磁極頂面
とのなす角θが５０゜≦θ≦７０゜であり、該内筒を取り巻く外筒の磁極面は、内筒の磁極頂面より
も電子線源側に近く配置され、試料と該磁極頂面との距
離（ワーキングデスタンス）Ｗと、加速電圧Ｕにおいて
該試料に電子線束をフォーカスする起磁力Ｊ／√（Ｕ）
との関係をＪ／√（Ｕ）＞｛７．１（Ｄ＿ｏ／Ｗ）＋２．２｝×｛
０．１９（Ｄ＿ｃ／Ｄ＿ｏ−１）＋１｝｛ＡＴ／Ｖ（１
／２）｝とした単極磁界型対物レンズを設けたことを特
徴とする電子線装置。
（２）上記対物レンズの内筒の基部外周が円錐形状部に
向けて先細の傾斜面を形成していることを特徴とする請
求項１記載の電子線装置。
（３）上記対物レンズの内筒の円錐形状部と磁極頂面と
の間に、上記円錐面より小さい角度をもつ傾斜面が設け
られていることを特徴とする請求項１記載の電子線装置
。
（４）上記対物レンズの内筒の基部外周が円錐形状部に
向けて先細の傾斜面を形成していることを特徴とする請
求項３記載の電子線装置。