JPH0536371A - 粒子線装置 - Google Patents

粒子線装置

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JPH0536371A
JPH0536371A JP3163940A JP16394091A JPH0536371A JP H0536371 A JPH0536371 A JP H0536371A JP 3163940 A JP3163940 A JP 3163940A JP 16394091 A JP16394091 A JP 16394091A JP H0536371 A JPH0536371 A JP H0536371A
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immersion lens
energy
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    • H01J37/10—Lenses
    • H01J37/12—Lenses electrostatic

Abstract

(57)【要約】 【目的】 低いビームエネルギーの場合に高い点解像度
を有するような粒子線装置特に走査形電子顕微鏡を提供
する。 【構成】 第１のレンズ装置ＫＬにより生じた中間像Ｚ
Ｂの範囲内に、第１のエネルギーＵ1 から一層高い第２
のエネルギーＵ2 へ粒子ＰＥを加速する装置ＳＲ、ＲＥ
を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、粒子線発生器と、粒
子線を集束するための第１のレンズ装置と、第１のレン
ズ装置により生じた中間像を試料上に投影するための第
２のレンズ装置とを備えた粒子線装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】マイクロエレクトロニクス及びオプトエ
レクトロニクスのデバイスの開発及び加工のすべての領
域において、サブマイクロメートル構造を目視評価し、
目標パターンからの偏差を確認し、高さ、幅又は傾斜角
度のような形状パラメータを検出及び評価することがで
きるようにするために、高解像度の走査形電子顕微鏡が
切に要求されている。従来の走査形電子顕微鏡は、特に
小さい作業間隔及び約２０ｋＶ以上の高い加速電圧の場
合に初めて、数分の１マイクロメートルないし数ナノメ
−トルの要求される点解像度を達成する。しかしその場
合にはレジストパターン及び集積回路が高エネルギーの
電子により損なわれ、また非導電性又は低導電性の試料
は充電される。
【０００３】収差の少ないコンデンサレンズ又は対物レ
ンズの開発により初めて、約０．５〜３ｋｅＶの範囲の
低いビームエネルギーの場合にも高精度測定のために必
要な点解像度を達成する走査形電子顕微鏡及び電子線測
定器を設計することが可能となった。例えばアメリカ合
衆国特許第47851765号、同第4831266 号、同第4728790
号明細書又は「マイクロエレクトロニク エンジニアリ
ング（Microelectronic Engineering ）」第７巻、第２
〜４号（１９８７年）、第１６３〜１７２ページから知
られているレンズでは、集束磁界に重畳された減速静電
界が同じ作業間隔の場合にレンズ収差を著しく低減する
という知見が利用されている。
【０００４】レンズ収差のほかにいわゆるベルシュ効果
も点解像度を制限する。従ってアメリカ合衆国特許第47
13543 号、同第4675524 号明細書では、電子をビーム発
生器中で例えばＥ≧１０ｋｅＶの高いエネルギーに加速
し、試料のすぐ上方で初めて例えばＥ≦１ｋｅＶの所望
の低い最終エネルギーに減速することが提案されてい
る。
【０００５】アメリカ合衆国特許第4896036 号明細書か
ら、静電形検出器対物レンズの収差を複数の多極要素か
ら成る補正装置を用いて低減する走査形電子顕微鏡が知
られている。
【０００６】点解像度の改善のためのすべての前記解決
策は電子光学的鏡胴の新構造又は走査形電子顕微鏡の電
子装置の少なくとも著しい変更を必要とするので、これ
らの収差の少ないしかし複雑なレンズ装置を従来の装置
で用いることはできない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、ビ
ームエネルギーの低い場合にも高い点解像度を有する前
記の種類の粒子線装置特に走査形電子顕微鏡を提供する
ことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この課題はこの発明に基
づき、中間像の範囲内に第１のエネルギーから一層高い
第２のエネルギーへ粒子を加速する装置が配置されてい
る粒子線装置により解決される。
【０００９】
【発明の効果】この発明により得られる長所は特に、従
来の走査形電子顕微鏡の点解像度を低いビームエネルギ
ー及び比較的大きい作業間隔の場合でも明らかに改善す
ることができるということにある。低エネルギー運転の
ための装備変更が非常に簡単になる。なぜならば主とし
て補助的な筒電極、高電圧源装置及び走査形電子顕微鏡
の鏡胴中に筒電極を配置するための絶縁性保持部を必要
とするにすぎないからである。
【００１０】
【実施例】次に粒子線装置の従来例及びこの発明に基づ
く一実施例を示す図面により、この発明を詳細に説明す
る。
【００１１】図４に示すように、従来の走査形電子顕微
鏡は通常電子ビーム発生器Ｑ、一つ又は二つの磁極片レ
ンズから成るコンデンサユニットＫＬ及び対物レンズＯ
Ｌを備え、対物レンズＯＬは虚の電子源のコンデンサユ
ニットＫＬにより作られた中間像ＺＢを縮小して試料Ｐ
Ｒ上に投影する。更に電子光学的鏡胴はビーム帰線消去
装置ＢＢＳ、試料ＰＲ上に電子線を位置決めする偏向ユ
ニットＡＳ及び非点収差の補正に役立つ非点収差補正装
置ＳＴを備える。試料ＰＲ上に遊離した二次電子及び試
料ＰＲから後方散乱した一次電子を検出するための図示
されていない検出器は通常対物レンズＯＬの下方又は上
方の側方に配置されている。
【００１２】対物レンズＯＬとして非対称の磁気レンズ
が用いられる。その磁極片は励磁コイルにより発生した
磁束を光軸ＯＡ（ｚ軸）を中心とする小さい空間域上に
集束し、その際磁極片ギャップにおけるこの軸ＯＡに関
し回転対称な磁界がその最大強度に達する。
【００１３】試料ＰＲ並びに対物レンズＯＬ、コンデン
サユニットＫＬ、アノードＡ及びコンデンサユニットＫ
Ｌの中にまで達しているビーム案内筒ＳＲが接地されて
いるので、電子ＰＥは既にビーム発生器Ｑ中で所望のエ
ネルギーＥ＝ｅＵ1 に加速される（ビーム軸上の装置接
地部に対する電位の推移Ｖ（ｚ）及びカソードＫ、アノ
ードＡ及び試料ＰＲの位置を示す図１の下側部分参
照）。その際ｅは電子電荷を示し、Ｕ1 はカソードＫと
アノードＡとの間に形成された電位差を示す。
【００１４】試料ＰＲ上のビーム直径ｄに比例する点解
像度は、低い加速電圧Ｕ1 ≦３ｋＶの場合に主として集
束を妨害する電子間相互作用（ベルシュ効果）及び対物
レンズＯＬの軸方向色収差により制限される。その際ビ
ーム直径ｄは次式により近似的に算出される。 ｄ＝（ｄC 2＋ｄF 2）1/2 （１） ここで、ｄC はカソードＫと試料ＰＲとの間のビーム軌
道中での電子のクーロン反発力（横方向ベルシュ効果）
のために拡大された幾何光学的プローブ（粒子線スポッ
ト）直径を示し、ｄF は対物レンズＯＬの色収差により
発生した錯乱円の直径を示す。次式（２）に示すように
量ｄF はビームアパーチャα、対物レンズＯＬの色収差
定数ＣF 、電子エネルギーＥ＝ｅＵ1 及び電子のエネル
ギー分布の幅ｅΔＵに関係する。 ｄF ＝ＣF αΔＵ／Ｕ1 （２）
【００１５】色収差定数ＣF はレンズの焦点距離ｆに比
例するので、ビーム直径ｄ従って点解像度は焦点距離の
減少により改善することができる。試料ＰＲは対物レン
ズＯＬの下方に非常に近くすなわちその磁界中に配置し
なければならないので、ビーム直径には特に狭い限界が
設けられる。更に比較的大きい試料を傾けた状態で走査
することはもはやできない。従って点解像度の一層の改
善はベルシュ効果の低減（エネルギー幅ｅΔＵに影響を
与えるエネルギー論的ベルシュ効果及びビームの拡幅を
もたらす横方向ベルシュ効果の抑制）及び撮像系の収差
の低減によるほかは不可能である。
【００１６】図５に示した従来の走査形電子顕微鏡で
は、アノードＡには大地に関して高い静電位を与え、ア
ノードＡに導電結合したビーム案内筒ＳＲを対物レンズ
ＯＬの磁極片ギャップの範囲にまで延長することによ
り、これらの要求を考慮している。電子はほとんど走査
形電子顕微鏡の鏡胴全体を例えばＥ＝１０ｋｅＶの高い
エネルギーＥ＝ｅ（Ｕ1 ＋Ｕ2 ）を有して通過し、対物
レンズＯＬの内部でビーム案内筒ＳＲと接地された下側
磁極片との間に形成された電界中で初めて例えばＥ＝ｅ
Ｕ1 ＝１ｋｅＶの所望の最終エネルギーへ減速されるの
で、ベルシュ効果の影響が著しく低減する。更に対物レ
ンズは集束磁界に重畳された減速電界に基づいて、図４
に示す走査形電子顕微鏡の純粋な磁気対物レンズよりも
著しく小さい色収差定数及び球面収差定数を有する。対
物レンズＯＬの下方に配置され同様に接地された電極Ａ
Ｅは試料ＰＲの遮蔽に役立つ。
【００１７】ビーム案内筒ＳＲは高電圧Ｕ2 に置かれる
ので（同様にビーム軸上の装置接地部に関する電位の推
移Ｖ（ｚ）又はカソードに対する電位の推移Φ（ｚ）及
びビーム案内筒の端部を示す図５の下側部分参照）、こ
の走査形電子顕微鏡では走査形電子顕微鏡の電子装置、
特に同様に加速電位を与えられるビーム帰線消去装置を
制御する構成要素の著しい変形が必要である。
【００１８】低いエネルギーＥ≦３ｋｅＶの場合に従来
の走査形電子顕微鏡の点解像度を改善するためにこの発
明に基づき、コンデンサユニットＫＬにより発生させら
れた中間像ＺＢの位置に静電形界浸レンズを配置するこ
とが提案される。対物レンズＯＬの前のこの最後の中間
像ＺＢの位置は従来の走査形電子顕微鏡では二重コンデ
ンサにより通常強固に保持される。図１に示すように一
次電子ＰＥの加速に役立つ界浸レンズは、既に存在し場
合によっては延長又は短縮されるビーム案内筒及び補助
の筒電極ＲＥから成り、補助筒電極は鏡胴中に絶縁配置
し例えばＵ2 ＝１０ｋＶの静電位を与える。付加的収差
は電極ＳＲとＲＥの筒端部の間に形成される加速界によ
っては生じない。なぜならばそのレンズ効果は光学的に
消去される（中間像ＺＢが界浸レンズ中に存在する）か
らである。図１の下側部分に示すように、電子ＰＥは鏡
胴の中で比較的高い平均運動エネルギーを持って走り、
それによりプローブ直径へのベルシュ効果の影響が相応
に減る。更に対物レンズＯＬは集束磁界に重畳された減
速静電界に基づき非常に小さい色収差定数及び球面収差
定数を有する。その際減速界は筒電極ＲＥ及び接地され
た下側磁極片ＵＰにより形成される界浸レンズ（図２参
照）により発生させられる。図２において等電位線ＰＬ
により示された減速界の試料ＰＲ上への漏出を防止する
ために、対物レンズＯＬの下方にはここでも遮蔽電極Ａ
Ｅが設けられている。
【００１９】図３に示されたシミュレーション計算の結
果が示すように、軸方向電子軌道ｒα（ｚ）（実線参
照）は純粋な磁界Ｂ（ｚ）（点線参照）を発生させる対
物レンズ中では光学軸の外側をはるかに離れて通り、一
方同一の中間像位置から出る電子は静電磁気レンズを軸
に近い範囲で貫通する（一点鎖線ｒα* （ｚ）参照）。
その結果として後者の形のレンズの色収差定数及び球面
収差定数が相応に小さくなる。なぜならばこれらの定数
はそれぞれｒα* （ｚ）の多項式及びその第２次及び第
４次の導関数についての積分から計算されるからであ
る。図３により、静電界兼磁界（Ｂ（ｚ）≠０、∂Φ
（ｚ）／∂ｚ≠０、Φ（ｚ）＝Ｖ（ｚ）＋Ｕ1）中での
電子の集束が純粋な磁界（Ｂ（ｚ）≠０、∂Φ（ｚ）／
∂ｚ≠０）の中でよりも複雑に行われることも分かる。
減速界を発生させる界浸レンズは等価的に発散部分と集
束部分とに分割でき、これらの部分をビーム軌道上で磁
気レンズの後方に配置するのが有利であるので、電子は
磁界中でまず光軸（ｚ軸）の方向へ偏向され、発散部分
中で僅かに軸からそらされ、続いて集束部分により軸上
へ集束される。試料ＰＲの面上で傾斜∂ｒα（ｚ）／∂
ｚ又は∂ｒα* （ｚ）／∂ｚの等しい場合に、量ｒα*
（ｚ）が純粋な磁気レンズ中のｒα（ｚ）より常に小さ
いので、色収差定数及び球面収差定数に対する収差積分
も相応に小さくなる。
【００２０】この発明は自明のように前記の実施例に制
限されない。上側筒電極及び下側筒電極から成る界浸レ
ンズを別の粒子線装置特にイオン線装置においても、第
１のエネルギーから一層高い第２のエネルギーへ粒子を
加速するために用いることが容易に可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に基づく走査形電子顕微鏡の一実施例
の略示図である。
【図２】図１に示す顕微鏡の対物レンズ内の電位分布図
である。
【図３】図１及び図４、５に示す顕微鏡の対物レンズ内
において計算により求められた電子軌道線図である。
【図４】走査形電子顕微鏡の一従来例の略示図である。
【図５】走査形電子顕微鏡の別の従来例の略示図であ
る。
【符号の説明】
Ａ アノード ＡＳ 偏向装置 ＢＢＳ 変調装置 ＫＬ コンデンサレンズ ＯＡ ビーム軸 ＯＬ 対物レンズ ＰＥ 粒子 ＰＲ 試料 ＲＥ 下側電極 ＳＲ 上側電極 ＵＰ 下側磁極片 ＺＢ 中間像

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 粒子線発生器（Ｑ）と、粒子線を集束す
    るための第１のレンズ装置（ＫＬ）と、第１のレンズ装
    置（ＫＬ）により生じた中間像（ＺＢ）を試料（ＰＲ）
    上に投影するための第２のレンズ装置（ＯＬ）とを備え
    た粒子線装置において、中間像（ＺＢ）の範囲内に第１
    のエネルギーから一層高い第２のエネルギーへ粒子（Ｐ
    Ｅ）を加速する装置（ＳＲ、ＲＥ）が配置されているこ
    とを特徴とする粒子線装置。
  2. 【請求項２】 粒子（ＰＥ）を加速する装置として第１
    の界浸レンズ（ＳＲ、ＲＥ）を備えることを特徴とする
    請求項１記載の粒子線装置。
  3. 【請求項３】 第１の界浸レンズが上側電極（ＳＲ）及
    び下側電極（ＲＥ）を有し、その際上側電極（ＳＲ）が
    粒子線発生器（Ｑ）のアノード（Ａ）の電位に置かれる
    ことを特徴とする請求項１又は２記載の粒子線装置。
  4. 【請求項４】 上側及び下側の電極（ＳＲ、ＲＥ）がそ
    れぞれ第１及び第２のレンズ装置（ＫＬ、ＯＬ）のビー
    ム軸（ＯＡ）に同軸に配置された中空円筒の形を有する
    ことを特徴とする請求項３記載の粒子線装置。
  5. 【請求項５】 第１の界浸レンズの上側電極としてアノ
    ード（Ａ）に結合されたビーム案内筒（ＳＲ）を備える
    ことを特徴とする請求項１又は３記載の粒子線装置。
  6. 【請求項６】 第２のレンズ装置が粒子（ＰＥ）を集束
    する磁界を発生させる対物レンズ（ＯＬ）及び第２の界
    浸レンズ（ＲＥ、ＵＰ）を有し、その際第２の界浸レン
    ズ（ＲＥ、ＵＰ）はその減速電界が集束磁界に重畳され
    るように配置されていることを特徴とする請求項１ない
    し５の一つに記載の粒子線装置。
  7. 【請求項７】 第２の界浸レンズの上側電極（ＲＥ）が
    第１の界浸レンズの下側電極（ＲＥ）の電位に置かれる
    ことを特徴とする請求項３ないし６の一つに記載の粒子
    線装置。
  8. 【請求項８】 第２の界浸レンズの上側電極（ＲＥ）が
    対物レンズ（ＯＬ）中に突入する中空円筒の形を有する
    ことを特徴とする請求項３ないし７の一つに記載の粒子
    線装置。
  9. 【請求項９】 第１の界浸レンズ（ＳＲ、ＲＥ）の下側
    電極が第２の界浸レンズ（ＲＥ、ＵＰ）の上側電極と同
    一物であることを特徴とする請求項３ないし８の一つに
    記載の粒子線装置。
  10. 【請求項１０】 試料（ＰＲ）上へ粒子線を偏向する装
    置（ＡＳ）を備えることを特徴とする請求項１ないし９
    の一つに記載の粒子線装置。
  11. 【請求項１１】 粒子線の強度を変調する装置（ＢＢ
    Ｓ）を備えることを特徴とする請求項１ないし１０の一
    つに記載の粒子線装置。
  12. 【請求項１２】 試料（ＰＲ）上に遊離した二次粒子又
    は試料（ＰＲ）から後方散乱した一次粒子を検出する装
    置を備えることを特徴とする請求項１ないし１１の一つ
    に記載の粒子線装置。
  13. 【請求項１３】 第１のレンズ装置が一つ又は二つのコ
    ンデンサレンズ（ＫＬ）を有することを特徴とする請求
    項１ないし１２の一つに記載の粒子線装置。
  14. 【請求項１４】 粒子（ＰＥ）を加速する装置（ＳＲ、
    ＲＥ）が最後の中間像（ＺＢ）の範囲内に対物レンズ
    （ＯＬ）の前に配置されていることを特徴とする請求項
    １ないし１３の一つに記載の粒子線装置。
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