JPS58161235A - 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】 本発明は走査型電子線装置、特に対物レンズ部分に改良
を加えた走査型電子線装置に関するものである。

走査型電子線装置として例えば走査型電子顕微鏡につい
てみると、この走査型電子顕微鏡の従来例としては例え
ば第１図に示すようなものがある。これは、電子銃３と
、第１段、第２段の集束レンズ５，６と全内蔵し、集束
レンズ５゜６の下方に第１段、第２段の偏向コイル７．
８と対物レンズ９とを配置した顕微鏡本体１、及び顕微
鏡本体１の下方に当該顕微鏡本体１に固定して配置され
、内部に中空の室１４を画成すると共に、この室１４内
において対物レンズ９の下方に試料ステージ１０ｔ−上
下動可能に配置し、また対物レンズ９用の可動絞り１２
や二次電子検出器１３を取付固定した試料室２から成っ
ている。

対物レンズ９は上側磁極片９ａと、上側磁極片９ａから
所定の間隔分あけて設けられた下側磁極片９ｂとを有し
、この磁極片９ａ　、　９ｂ間に可動絞り１２の絞り操
作部が挿入されている一方、試料ステージ１０け両磁極
片９ａ　、　９ｂの下方において試料ホルダ１１及び試
料１５を支持している。

なお、第１図中符号４は真空ポンプに接続された排気管
である。

このような構成を有する走査型電子顕微鏡にあっては、
試料１５が対物レンズ９の外部に配置されるために、試
料ステージ１０を下方へ移動させることにより当該試料
ステージ１０と対物レンズ９との間隔を大きくとり、充
分大きな試料１５を挿入することが出来るという利点が
ある。しかし、その反面、対物レンズ９の中心から試料
１５までの距離、即ちワーキング・ディスタンス（Ｗ、
　Ｄ、）を大きくすると、対物レンズ９の収差が大きく
なるため、対物レンズ９の加速電圧を高くしないと高分
解能が得られないという不利益がある。

電子顕微鏡の対物レンズ９０分解能とワーキング・ディ
スタンスにの関係は一般的に第２図に示すグラフのよう
になる。このグラフは、対物レンズ９の加速電圧が５キ
ロボルトのときの当該対物レンズ９の分解能を最小錯乱
円（試料面上における電子線の広がり）とワーキング・
ディスタンスとの関係で表わしたもので、縦軸に最小錯
乱円、横軸にワーキング・ディスタンスをとっである。

そして、ワーキング−ディスタンスが小さければ小さい
ほど対物レンズ９収差係数は小さくなり高分解能である
ということができる。このグラフからも明らかなように
、通常の走査型電子顕微鏡でけワーキング・ディスタン
スが短い方が収差係数が小さく高分解能に適しているこ
とがわかる。そのため、高分解能像と得るためにはワー
キング・ディスタンスを出来るだけ小さくする必要があ
る。

かかる要請に応じて、試料１５を対物レンズ９の磁場の
中に挿入して観察し、対物レンズ９収差の小さい条件で
使用する試みが行われている。

この試みの結果実現された走査型電子顕微鏡が第３図に
示されている。これは、対物レンズ９の上側磁極片９ａ
と下側磁極片９ｂとの間に試料１５を配置出来るように
し、当該試料１５に偏向コイル７．８によって偏向した
走査電子線を照射し、試料１５から発生する二次電子を
強い磁界中でトラップし、対物レンズ９の上部に配置さ
れた二次電子検出器１３で検出するようにしたものであ
る。対物レンズ９の上部にはＸ線検出器１６も又配置さ
れ、試料１５から発生し７２：Ｘ線を検出する一方、対
物レンズ９下方には、顕微鏡本体１にヒンジ１９を介し
て回転可能に取付けられた螢光板１８、及び走査透過電
子検出器１７が配置され、透過電子線による試料像が得
られるようになっている。

しかし、このような構造の電子顕微鏡にあっては、従来
からの対物レンズ９の磁極片９ａ、９ｂ間に試料１５を
挿入するようにしているので、狭い磁極片９ａ　、　９
ｂ間に試料１５を挿入するために、当該試料１５を小さ
くしなければならない。そして、従来の対物レンズ９で
は試料１５の大きさはせいぜい直径が１　ｃｍ　（セン
チメートル）止まりであった。したがって、直径が１側
より大きな試料１５を観察するためには、第１図に示す
タイ７’ノｉ［子顕微鏡を用い、６０人（オンダストロ
ーム）程度の分解能と、高分解能を犠牲にして観察して
いる。

このような背景の下において、最近では、集積回路即ち
ＩＣの分野で直径が４インチ乃至５インチ（ＮＩＪち、
１０〜１２．５　ｃｍ　）の大型のウェハーを観察した
いという要求が起きている。しかも、ウェハー上の集積
回路は、高加速電圧が照射される（これは高分解能を得
るための一条件である。）と電子線による損傷を起し、
集積回路として使用出来なくなることがわかって来た。

このため、ＩＫＶ（キロボルト）程度の低加速電圧での
観察が必要である。ところが、走査型電子顕微鏡では、
第４図に示されているように、加速電圧が低くなると分
解能が低下し、上記の如きｌＫ′ｖの加速電圧では分解
能は１０００　Ａ程度に劣化して実用的でないという不
合理があった。なお、この第４図は、対物レンズ９の分
解能を最小錯乱円と加速電圧との関係で表わしたもので
、縦軸に最小錯乱円、横軸に加速電圧をとっである。ま
た、第４図中、一点鎖線Ｆは色収差による分解能変化、
二点鎖線Ｇけ試料入射電流による分解能変化、点線Ｈは
球面収差による分解能変化、点線■は回折収差による分
解能変化と表わす。そして、実線Ｆは、上記グラフ線Ｆ
、Ｇ。

Ｈ，Ｉの全ての条件と総合した対物レンズの分解能変化
を表わしている。

このため、ウェハーを低加速電圧でしかも高分解能で観
察するためには、対物レンズ９の磁極間に挿入すること
が好ましいのであるが、上記したように、対物レンズ９
の磁極間にはウェハーを収容するだけのスペースを確保
することは出来ず、もし高分解能で観察したいのであれ
ば、ウェハーを小片に破壊して部分毎に観察する必要が
ある。しかし、ウェハーを破壊すれば製品としての価値
がなくなるから、とても容認できることではない。

このように、ＩＫｖ程度の加速電圧で４インチ乃至５イ
ンチのウェハーを高分解能で観察することは、上記各種
要因のために極めて困難であるという問題があった。

本発明は、上記のような従来の問題点に着目してなされ
たもので、その目的は、４インチ乃至６インチの長さ寸
法を有するウェハー等の比較的大型の試料を破壊するこ
となく、Ｉ　ＫＶ前後の低加速電圧の下において高分解
能で観察出来る走査型電子顕微鏡を提供することである
。

本発明は、走査型電子顕微鏡において、対物レンズの磁
極を上下対に分割して配置し、これらの磁極間に、磁極
配置方向に交差する方向に延びる即ち、光軸を横切って
延びる試料収容空間を形成して試料室となし、この収容
空間内に磁極面より大きな面積を有する試料ホルダを配
置できる様にしたことを特徴としている。試料ホルダは
、可動機構により、光軸と交差する任意の軸線を中心と
して傾斜回転し得る様支持されるのが好ましい。また、
磁極は、試料ホルダが出来る限り傾斜回転し得る様、そ
の磁極片頂部が先端から基部に向けて次第に拡開する截
頭円錐形状に形成されているのが好ましい。こうするこ
とにより、対物レンズは、一対の磁極片間に■Ｃウニ八
へを載置可能な程度の大面積を有する試料ホルダと配置
することが出来また、この試料ホルダを傾斜させること
により、試料の傾斜観察を行うことが可能となる。

以下本発明の実施例を添付の図面を参照して詳細に説明
する。

第５図は、本発明の第１の実施例を示す図である。この
実施例に係る走査型電子顕微鏡は、顕微鏡本体１に組込
まれた集束レンズ５，６及び偏向コイル７．８の下方に
おいて、上側磁極２０と、当該上側磁極２ｏから下方へ
所定の間隔をあけて配置された下側磁極２１とから成る
対物レンズ−９と備え、上側磁極２ｏと下側磁極２１と
の間において、光軸３０に交差する方向に延び且つ−Ｌ
上下側磁極０　、２１を包囲する試料収容空間２８を両
威し、上下側磁極２０　、２１全支持する試料室２と設
けて成る。

上側磁極加は、試料室２を形成する筐体の頂壁２ａの略
中央部分において当該筐体と一体又は別体に設けられ、
その頂壁２ａがら収容空間２８内へ向けて垂下した′ｇ
ｉ極片２２と、この磁極片２２の外周に巻装された電磁
フィル２４とから構成される。磁極片２２は、先端が平
面形状をした略円筒形体から成り、内部には光軸３０方
向に延びる中空腔２９が形成される一方、先端面には開
口２６が形成されている。下側磁極２１もまた、上側磁
極冗と同様、試料室２と形成する筐体の底壁２ｂの略中
央部分において当該筐体と一体又は別体に設けられ、そ
の底壁２ｂから収容空間２Ｂ内へ向け、上記磁極片ηに
対向して突起した磁極片ｎと、この磁極片２３の外周に
巻装された電磁コイルｂとから構成される。磁極片ｎは
、先端が平面形状をした略円筒形体から成り、内部には
光軸凹方向に延びる中空腔３１が形成される一方、先端
面には開口２７が形成されている。そして磁極片ｎの先
端面と磁極片ｎの先端面との間には所定寸法の間隙３２
が形成される。

収容空間２８内では、間隙３２を横断して試料ホルダ１
１が配置されている。この試料ホルダ１１は、平板形状
を有し一側に強度部３４が設けられた試料保持部材３３
と、試料保持部材３３の他側にビス３６によって結合さ
れ、上記強度部３４と同様の構造を有する補強部材３５
とから成り、試料保持部材あの上面にはＩＣウェハー等
の試料１５が載置されている。試料ホルダ１１け、上下
側磁極２０　、２１が略円筒形構造である点を考慮して
、収容空間２８内で固定されていてもよいし、或は第５
図中実線と二点鎖線とで示すように、水平位置Ａと比較
的緩やかな傾斜位置Ｐとの間で傾斜回転するように支持
されていてもよい。また試料ホルダを水平に保って水平
面内を移動可能としてもヨイ。なお対物レンズ上方にお
いて、顕微鏡本体１には二次電子検出器１３が取付けら
れている。

かかる構成を有するから、本実施例に係る走査型電子顕
微鏡では、従来に比べて対物レンズ９の磁極間において
、横方向、即ち光軸３０を横切る方向に広い収容空間が
形成される。したがって、試料ホルダ１１の面積は対物
レンズ磁極面積よりも遥かに大きくすることが出来、こ
の試料ホルダ１１上に例えば直径が４インチ乃至６イン
チのＩＣウェハー？楽に載置することが出来る。

そして、−試料ホルダ１１上の試料１５には、電子銃３
から照射された電子線が照射すると共に走査し、試料面
から二次電子を発生させる。この二次電子は上側レンズ
２０の磁極片ｎ開口２６から中空腔２９内へと流れ二次
電子検出器１３によって検出される。この試料１５観察
中において、電子線の加速電圧けＩＫＶ程度と、比較的
低い電圧に設定される。このように電圧が低くても、試
料１５は対物レンズ９の上下磁極片２２　、２３の間に
設置した構成になっているから、電子顕微鏡のワーキン
グ・ディスタンスを小さく設定することが出来、高分解
能像が得られる。

第６図及び第７図は、本発明の第２の実施例を示す図で
ある。この実施例において、電子顕微鏡の対物レンズ９
を構成する上側磁極２０及び下側磁極２１は、それぞれ
磁極片η、２３の先端部が面とり成形されている。その
ため、各磁極片２２　、２３は、胴体部分は円筒形状に
形成されている一方、その頂部は先端から基端方向に向
けて次第に拡開する截頭円錐形状に形成されている。

この先端部の傾斜は、例えば開き角が６０°程度になる
よう設定される。また、上側磁極部材冗の磁極片２２の
中空腔２９内にはコイルホルダ４０が取付けられ、この
コイルホルダ４０に第１段、第２段の走査コイル７．８
が固定されている。さらに、磁極片２２の胴体部分には
取付孔が開設され、この取付孔には磁極片２２の外側か
ら中空腔２９内へと二次電子検出器１３が挿入固定され
ている。なおこの実施例では、対物レンズ９の磁極面積
は第６図中りで表わされる。

したがって、試料ホルダ１１け磁極片２２　、２３に対
して第７図に示すような位置関係になり、この試料ホル
ダ１１を挿入した磁極片２２　、２３間隙内に磁場が形
成される。そして試料ホルダ１１を水平に保ち、或は傾
斜させて試料１５の観察が行われるが、磁極片２２　、
　Ｚ３は先端部分が面とりされ、截頭円錐形状に形成さ
れているため、試料ホルダ１１け、収容空間２８内にお
いて、水平位置Ａから傾斜位置Ｃまで、上記第１の実施
例におけるよりは更に大きな角度まで傾斜することが出
来る。したがって、試料１５の傾斜角を閉度又はそれ以
上にすることが可能となり、ＩＣウェハーの製造に又は
該製造中における製品検査に完全を期することができる
。また本実施例では、電子線走査用の偏向コイル７．８
が対物レンズ９の中に組込まれた構造となっているため
、偏向コイル７．８から開口２６までの距離を小さくす
ることが出来、試料１５上での電子線走査用凹（ストロ
ーク）を拡大できる。そして、電子線照射により、試料
１５から出た二次電子は二次電子検出器１３によって検
出される。なお、この実施例において、対物レンズ９内
に組込まれた偏向コイル７．８は第１段、第２段とも二
次電子検出器１３の上方に配置しであるが、必ずしもこ
のような構成に限られるものでなく、例えば第２段の偏
向コイル８を二次電子検出器１３の下方へ配置するとか
、或は両偏向コイル７．８とも二次電子検出器１３の下
方へ配置する等の変更を加えることもできる。

第８図及び第９図は、本発明の第３の実施例を示す図で
ある。この実施例においても、上記第２の実施例におけ
ると同様、上側磁ｔｊｆｉ２０及び下側磁極２１には先
端が面とりされた磁極片２２゜ｎが用いられている。し
かし第２の実施例と異なり、対物レンズ９励磁用には上
側磁極２０にのみ電磁コイル２４が巻装され、下側磁極
２１には電磁コイルが省略されている。一方、顕微鏡本
体１から上側磁極２０にかけての部分では、顕微鏡本体
１の内部に第１段及び第２段の走査コイル７．８が取付
けられ、その下方位置において二次電子検出器１３が顕
微鏡本体１に挿入固定され、更に上側磁極加の磁極片２
２の中空腔２９内には第３　段（Ｄ　偏向コイル４２が
コイルホルダ４１ニよって取付固定されている。そして
、これらの偏向コイル７．８．４２は、試料観察時にあ
っては三基のうちの任意の二基と作動させ、照射電子線
を偏向させるようになっている。また、試料ホルダ１１
は、−側に強度部３４を一体成形した試料保持部材３３
を片持梁構造になる様に収容空間２８内に支えて成る。

そして、この試料保持部材３３上には試料１５が載置さ
れる。

このように、下側磁極２１には、対物レンズ９励磁用の
電磁コイルが省略されているが、このような構造の対物
レンズ９においても比較的低い加速電圧を発生させるこ
とはでき、例えばＩＫＶ程度の加速電圧は充分に発生さ
せることができる。また、電子線走査用の偏向コイル７
．８゜４２を上記の如く設けたため、試料１５の観察像
の収差を小さくすることが可能になる。例えば、電子線
走査についてみれば、従来の電子顕微鏡は、本実施例に
おいて偏向コイル７．８を作動させたものに相当する。

この作動条件の下で、試料１５上の点Ｐｆｔ照射しよう
とするときは、電子銃３から発射された電子線は先ず点
Ｑ位置で第１段の偏向コイル７によって軌道偏向され、
次いで点Ｐ位置にて第２段の偏向コイルによって軌道偏
向され、そして試料１５上の点ＰＫ到達する。これに対
し、本実施例において、偏向コイル７．４２を作動させ
、試料１５上の点Ｐｋ照射しようとするときは、電子銃
３から発射された電子線は、上記の場合と同様に点Ｑ位
置で第１段の偏向コイル７によって軌道偏向されるが、
この偏向された電子線は次に点Ｓ位置で第３段の偏向コ
イル４２によって軌道偏向され、その後試料１５上の点
Ｐに到達する。本実施例によって得られた後者の電子線
経路Ｑ−８−Ｐは、従来におけるような前者の電子線経
路Ｑ−Ｒ−Ｐに比較して光軸３０に近い経路であるため
、電子線経路中で生じる軸外収差を低く抑えることが出
来、より一層鮮明な観察像が得られる。

なお、この第３の実施例を更にすすめ、下側磁極２１の
磁極片２２もまた取υ払ってしまうこともできる。第１
０図はかかる変更と加えた本発明の第４の実施例を示す
図である。この場合は、上側磁極２０に対して下側磁極
２１が無限遠の距離に置かれたものと考えることが出来
、対物レンズ９の励磁作動は上側磁極２０において行わ
れる。

また、この場合におけるワーキング・ディスタンスは磁
極片ηの頂面と試料１５との間の距離によって決まる。

これにより、収容空間２８がより一層大きくなり、二次
電子検出器１３以外の各種検出器を設置したり、或は試
料ホルダ１１移動装置の取付自由度が増大する等の利点
が得られ、スペースの有効利用を図り得る。かかる対物
レンズ磁極に対する改良変更は上側磁極２０に対して為
されてもよいし下側磁極２１に対して為されてもよい。

更に、上記第１乃至第４の実施例において、上側磁極２
０と下側磁極２１とのうちいずれか一方又は両方の磁極
片を、第１１図に示すように、中心部分に軸方向に延び
る段状の孔５８を形成した外部筒５０とこの外部筒５０
の孔５８内に摺動可能に挿入された内部筒５１とで組立
て、内部筒５１を外部筒５０の孔５８の段部に回転可能
に配置したクラウンギア５２によって係合支持する一方
、このクラウンギア５２と軸受５９により試料室２に回
転可能に取付けられた操作棒５３に作動連結した構成に
することも出来る。内部筒５１の外周にはねじ部５４が
設けられ、／Ｊｗ、クラウンギア５２の内周にはねじ部
５４に螺合するねじ部５５が形成される一方、クラウン
ギア５２の側面にはギア歯５６、操作棒５３の先端部に
はギア歯５６に噛合するギア歯５７が形成されている。

そして、操作棒５３のつまみ部６０を回転させることに
より、クラウンギア５２を水平面内で回転させ、この回
転運動に伴いクラウンギア５２と内部筒５１との間に牛
じるねじ送り作用により内部筒５１を上下動させること
ができる。もちろん、クラウンギア５２は図示外の支持
部材により孔５８内で落下しない様に支持されており、
また内部筒５１はクラウンギア５２と一緒に回転しない
様規制されている。このように、対物レンズの上側磁極
又は下側磁極を可動タイプとすることにより、ワーキン
グｅディスタンスを可変することが出来、例えば試料１
５を水平に保ち、ワーキング・ディスタンスを小さくし
て高分解能像を得、或はワーキング・ディスタンスを大
きくして試料１５傾斜と大きくとる等各種の条件に即応
した観察態勢をとることが出来る。したがって走査型電
子顕微鏡としての利用度を向上させることが可能となる
。

以上説明したように、本発明によれば、走査型電子顕微
鏡をはじめとする各種走査型電子線装置において、対物
レンズの磁極を上下対に分割して配置し、これらの磁極
間において、当該磁極の配置方向即ち光軸に交差する方
向に延びる試別室と形成すると共に、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を配置
したため、低加速電圧の下で大型の試料を大角度傾斜し
ても高分解能で観察することが出来るようになでた。ま
た、上下分割された磁極の磁極片先端を面とりすること
により、大型試料の傾斜を楽に行うことが出来るように
なった。ざらに、このように分割した磁極の内部に偏向
コイルを配置することにより、電子線の走査ストローク
分大きくしたり、或は試料に向けて照射された電子線の
経路を光軸により一層近い位置にし、収差を小さく抑え
ることが可能となる。さらにまた、上側磁極又は下側磁
極を光軸方向に可動型とすることにより、ワーキング・
ディスタンスを種々変更できるようにし、高分解能像を
得たり、試料傾斜を大きくしたりすることが出来る等、
種々の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の走査型電子顕微鏡の構造を示す断面図
である。 第２図は、走査型電子顕微鏡の分解能とワーキング・デ
ィスタンスとの関係を表わすグラフ図である。 第３図は、従来の走査型電子顕微鏡において、対物レン
ズ磁極間に試料を置くように試みた例を示す概略断面図
である。 第４図は、走査型電子顕微鏡の分解能と対物レンズ加速
電圧との関係を示すグラフ図である。 第５図は、本発明の第１の実施例に係る走査型電子顕微
鏡の断面図である。 第６図は、本発明の第２の実施例に係る走査型電子顕微
鏡の断面図である。 第７図は、上記第２の実施例における試料設置部分を示
す斜視図である。 第８図は、本発明の第３の実施例に係る走査型電子顕微
鏡の断面図である。 第９図は、上記第３の実施例における試料設置部分を示
す斜視図である。 第１０図は、本発明の第４の実施例？示す断面図である
。 第１１図は、対物レンズ磁極の構造と可動型にすべく変
更した例を示す断面図である。 １・・・顕微鏡本体　　　　２・・・試料室３・・・電
子銃　　　　　　５．６・・・集束レンズ７．８・・・
偏向コイル　　９・・・対物レンズ１０・・・試料ステ
ージ　　　１５・・・試料冗・・・上側磁極　　　　　
２１・・・下側磁極２２　、２３・・・磁極片　　　　
２４　、２５・・・電磁コイル２８・・・収容空間　　
　　　（資）・・・光軸第１図 第２図 作￥１１７　＆１１１１　ｃｍ　ｍ）□第３図 第５図 第６図 第８閃 第９図 ｎ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｌ）電子銃と、集束レンズと、試料上で電子線を二次元
   的に走査させる偏向コイルと、対物レンズと、試料から
   発生される二次電子を検出する二次電子検出器とを有す
   る電子線装置において、対物レンズの磁極を上下対に分
   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を形成す
   ると共に、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を配置したことと特徴とする走査
   型電子線装置。 ２）上側磁極及び下側磁極は截頭円錐形状に形成され、
   試料を高角度傾斜可能に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線装置。 ３）対物レンズの上下側磁極は、試料室の頂壁又は底壁
   から互いに対向して延びる磁極片とそれぞれ有し、これ
   らの磁極片のうち少なくとも一方には電磁コイルが巻装
   されていることを特徴とする特許請求の範囲第７項又は
   第２項記載の走査型電子線装置。 ４）対物レンズの磁極は、試料室の頂壁又は底壁のうち
   いずれか一方から試料室内へ向けて突起する磁極片と、
   この磁極片に巻装された電磁コイルとから構成されてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記
   載の走査型電子線装置。 ５）対物レンズの−又は二つの磁極片は、試料室に固定
   された外部筒と、この外部筒内に摺動可能に嵌合された
   内部筒とから構成されていることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項乃至第４項のいずれかに記載の走査型電子
   線装置。