JP6265643B2 - 電子ビーム装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子ビームを用いて検査・計測を行う電子ビーム装置に係わる。

電子ビームを用いた試料の観察・検査・計測に用いられる走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの電子ビーム装置は、電子源から放出された電子を加速し、静電レンズや電磁レンズによって試料表面上に収束させて照射する。これを１次電子と呼んでいる。１次電子の入射によって試料からは２次電子（低エネルギーの電子を２次電子、高エネルギーの電子を反射電子と分けて呼ぶ場合もある）が放出される。これら２次電子を、電子ビームを偏向して走査しながら検出することで、試料上の微細パターンや組成分布の走査画像を得ることができる。また、試料に吸収される電子を検出することで、吸収電流像を形成することも可能である。

走査電子顕微鏡における基本的な性能の１つは、電子ビームの分解能である。電子ビームの分解能を向上させるために、さまざまな方法が試みられているが、その中の１つにエネルギーフィルターによる電子ビームのエネルギー分散低減技術がある。これはエネルギー分散低減により色収差を低減し、分解能を向上させるものである。エネルギーフィルターの中でもウイーンフィルターと呼ばれるフィルターは、電子ビームを直線的に使用する方式として知られている。ウイーンフィルターは電磁偏向器と静電偏向器を重ね合わせて（ＥｘＢとも呼ばれている）偏向色収差を発生し、下段のスリットと組み合わせることで一部のエネルギーの電子ビームを選択的に透過させるものである。ウイーンフィルターはこれまで分析顕微鏡でのエネルギー分解能向上に主に用いられて来たが、電子レンズの色収差の低減に適用することで電子ビームのプローブ径の分解能を向上できる可能性がある。従来のウイーンフィルターは、電磁偏向器と静電偏向器の組み合わせ（ＥｘＢ）の直下にスリットを配置して構成されていた。

特開2012-243763号公報 US Patent 7,505,952 B2 WO 2012/050018 A1

しかし、従来の公知例ではウイーンフィルター自体で発生する軸上色収差（色収差係数）の増大に関しては考慮されていない。軸上色収差が増大すると、エネルギー分散を低減しても最終的に分解能を向上することができず、ウイーンフィルターを搭載する意味がなくなってしまう。
本発明は、軸上色収差の増大を抑えながら効率よくエネルギー分散を低減するウイーンフィルターを提供するものである。

本発明における手段として、重なり合った電磁偏向器と静電偏向器の組と、ビームスリットと、からなる１次電子のエネルギーフィルターを搭載する電子ビーム装置において、ビームスリットと、電磁偏向器と静電偏向器との組との間に電子レンズを有することが効果的である。また、ビームスリットと、ビームスリットを挟んだ２組の重なり合った電磁偏向器と静電偏向器の組とからなる１次電子のエネルギーフィルターを搭載する電子ビーム装置において、ビームスリットと、少なくとも１組の電磁偏向器と静電偏向器との間に電子レンズを有する、あるいは２組の電磁偏向器と静電偏向器との間にそれぞれ電子レンズを有することも有効である。電子レンズとしては電磁レンズもしくは加速型静電レンズを用いるのが良い。また電子レンズとして電磁レンズを用いた場合には、電磁偏向器と静電偏向器の偏向方向を、ビームスリットのビーム制限方向と異なる方向に設定する、更に電磁レンズの励磁に応じて設定することが有効である。

電子レンズを電磁偏向器と静電偏向器の組とビームスリットの間に配置する場合は電子レンズ中心に電子ビームを通過させるビームアライメントが重要となるために、組となる電磁偏向器と静電偏向器の少なくとも一方が２段で構成されていること、それを用いて電子レンズ内のビームアライメントを行うことが有効となる。ウイーンフィルターでは電子ビームとビームスリットのアライメントも行うために、ビームスリットをスリット幅より短い距離で微動出来るスリット送り機構を有し、電子レンズ内のビームアライメントを２段の偏向器により行い、ビームスリットと電子ビームのアライメントをスリット送り機構により行う使い分けが出来ることが好ましい。

本発明によりエネルギー分散の低減を軸上色収差の増大を抑制しながら行うことができ、電子ビームの分解能向上を実現できる。
上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１の走査電子顕微鏡を示す全体概略図。 実施例１の電子ビーム軌道を示す図。 ビームスリット上の電子ビーム形状を示す模式図。 偏向器内での静電偏向器と電磁偏向器の偏向方向を示した図。 光学素子の他の配置例を示す図。 光学素子の他の配置例を示す図。 実施例２の走査電子顕微鏡を示す全体概略図。 実施例２の電子ビーム軌道図。 実施例２の電子ビーム軌道図。 実施例３の走査電子顕微鏡を示す全体概略図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ここでは走査電子顕微鏡を例にとって説明するが、本発明は走査電子顕微鏡以外の電子ビーム装置にも適用可能である。

［実施例１］
図１は、実施例１の走査電子顕微鏡を示す全体概略図である。電子銃１０１から放出された１次電子１１６は、第１静電偏向器１５０と第１電磁偏向器１５１の組、第１コンデンサレンズ１０３、第２コンデンサレンズ１０５、第２静電偏向器１６０と第２電磁偏向器１６１の組を通り、対物レンズ１１３によりステージ１１５に保持された試料１１４上に結像して照射される。第１静電偏向器１５０が発生する偏向電場と第１電磁偏向器１５１が発生する偏向磁場は空間的に互いに重なり合っており、１次電子をそれぞれ反対方向に偏向する。同様に、第２静電偏向器１６０が発生する偏向電場と第２電磁偏向器１６１が発生する偏向磁場は空間的に互いに重なり合っており、１次電子をそれぞれ反対方向に偏向する。第１コンデンサレンズ１０３と第２コンデンサレンズ１０５の間にはビームスリット１７０が配置されている。ビームスリット１７０の位置は、スリット制御部１７２によって制御されるスリット移動機構１７１により調整することができる。第１静電偏向器１５０及び第２静電偏向器１６０には、第１静電偏向器制御部１５４及び第２静電偏向器制御部１６４から偏向色収差の発生効率を向上させるために負の高電圧が印加されている。このために第１静電偏向器１５０及び第２静電偏向器１６０は、減速型の静電レンズとして作用する。第１電磁偏向器１５１及び第２電磁偏向器１６１は、それぞれ第１電磁偏向器制御部１５５及び第２電磁偏向器制御部１６５によって制御される。対物レンズ上磁路１１０にはブースター電圧制御部１４１から正電圧が、試料１１４には試料電圧制御部１４４から負電圧が印加されており、ここで静電レンズが形成されているため、対物レンズ１１３は磁場電場重畳レンズとなっている。また、対物レンズ１１３の開口は試料側に向いており、セミインレンズ型と呼ばれるレンズ構造となっている。対物レンズ制御部１４２は、対物レンズコイル１１２に流れる励磁電流を制御する。

試料１１４から放出される２次電子１１７（低速電子を２次電子、高速電子を反射電子と分類する場合もあるが、ここでは２次電子に表記を統一した）は中間にある検出器１２１により検出される。検出器１２１は検出系制御部１３６によって制御される。試料上の１次電子は、第１走査偏向器１０６と第２走査偏向器１０８により２次元に走査され、結果として試料の２次元画像を得ることが出来る。この２次元画像の中心位置は、第１走査偏向器制御部１３７によって制御される第１走査偏向器１０６と第２走査偏向器制御部１３９によって制御される第２走査偏向器１０８により規定される。本実施例では第１走査偏向器１０６及び第２走査偏向器１０８は静電偏向器である。２次元画像は表示装置１４７に表示される。ここで、第１静電偏向器１５０と第１電磁偏向器１５１の組や第２静電偏向器１６０と第２電磁偏向器１６１の組を「ＥｘＢ」と呼ぶ場合が多い。

なお、電子銃１０１は電子銃制御部１３１により、第１コンデンサレンズ１０３は第１コンデンサレンズ制御部１３３により、第２コンデンサレンズ１０５は第２コンデンサレンズ制御部１３５により、それぞれ制御される。電子銃１０１の後段には一次電子１１６のビーム軸を制御するための第１アライナー１０２が配置され、第１アライナー制御部１３２によって制御される。また、装置全体を制御する制御演算装置１４６は、記憶装置１４５に記憶された制御データ等に基づいてそれぞれの制御部を統一的に制御する。検出器１２１によって検出された検出信号は、記憶装置１４５に記憶したり、表示装置１４７に表示したりして利用される。

図２は、図１に示した走査電子顕微鏡の一部の電子ビーム軌道２００を示す図である。物面２０１は電子銃１０１の仮想光源に位置し、中間像面２０２はビームスリット１７０の近傍に、像面２０３は対物レンズの物面に位置する。すなわち、第１静電偏向器１５０と、第１静電偏向器１５０とビームスリット１７０の間に位置する第１コンデンサレンズ１０３で１つの結像系を構成している。同様に、第２静電偏向器１６０と、第２静電偏向器１６０とビームスリット１７０の間に位置する第２コンデンサレンズ１０５で１つの結像系を構成している。

図３は、ビームスリット上の電子ビーム形状を示す模式図である。第１静電偏向器１５０と第１電磁偏向器１５１によって１次電子をビームスリット１７０上で逆向きに偏向し、ビームスリット１７０上で偏向色収差のみを発生させている。そのために電子ビーム形状３０３は横長の形状となっている。図３に矢印３０４で示したビームスリット１７０上での偏向色収差発生方向を、ビームスリット１７０のビーム制限方向すなわちスリット開口３０２の短軸方向に設定し、この電子ビームの一部をスリット開口３０２により抽出して所定のエネルギーを有する電子だけを通過させることでエネルギー分散を低減できる。ウイーンフィルターで重要なことは、この偏向色収差の発生効率を向上させることである。発生効率を向上させるとは、それぞれの偏向器の偏向強度（偏向角度）を出来るだけ小さくして偏向色収差を発生させることである。このことは、偏向器が発生する寄生収差による分解能の劣化や偏向器電源の高電圧大電流化に伴う安定動作の劣化などを抑制するうえで重要となる。

静電偏向器にオフセットとして負の高電圧を印加することは偏向色収差の発生効率を向上させる効果を有している。しかしながら、発生効率を向上させるために電圧を高くすると、静電レンズ効果が強まり光学系に大きな影響を与えるようになる。例えば特開２０１２−２４３７６３号公報に記載の装置でＥｘＢ（２００）に負電圧を加えていくと、ＥｘＢレンズの焦点距離が短くなる。このことはスリット（３００）上への結像を縮小系にする効果と、軸上の色収差係数を増大させる効果を持つことになる。色収差係数が増大するのは減速型の静電レンズが加速型の静電レンズと比較して大きな色収差係数を持つ傾向にあるからである。スリット上への結像を縮小系にする欠点は以下のように説明できる。スリット上への光学系を縮小系にするとスリット上での開口角が大きくなる。このために開口角に比例して増大する軸上色収差が増大する。さらに電子光学系全系の縮小率は電子銃の性能上限界があり、スリット上への光学系を縮小系にすると、スリットより下の光学系の縮小率は小さくなる。結果として、スリット上で発生した軸上色収差がより試料上の分解能に影響を与えるようになる。これらのことと、色収差係数が大きくなることから静電偏向器に印加する負電圧には限界が生じてしまう。

本発明では、これに対してビームスリットと、電磁偏向器と静電偏向器の組との間に電子レンズを有する構造として軸上色収差の増大を抑制している。本実施例では電子レンズには電磁レンズを用いているが、加速型の静電レンズを用いても構わない。この構成の効果は以下の通りである。

まず、静電偏向器を物面側に配置することで、静電偏向器に印加する負電圧を高くするとビームスリット上への結像は拡大系となる。従ってビームスリット上での開口角は小さくなり、軸上色収差は小さくなる。更に、試料面上必要な電流値で最高分解能を得るには全系での縮小率は決まっており、ビームスリット上への結像が拡大系になるとビームスリットより下流の光学系の縮小率は大きくなる（より縮小する方向）。従って、ビームスリット上で生じた軸上色収差は試料上で小さくすることが可能となる。この２つの効果により、静電偏向器に印加する負電圧を高くすることによる軸上分解能劣化を抑制することが出来る。また、挿入する電子レンズに収差係数の小さい電子レンズを用いることにより、軸上色収差係数を小さくする効果も期待できる。更に本発明によりビームスリットと２つの偏向器の距離を大きくした構成をとることが出来るので、同じ偏向強度でビームスリット上に発生させる偏向色収差を大きくできることにもつながる。以上のように本発明によれば、軸上色収差の増大を抑制しながら、偏向色収差の発生効率を向上させることができる。

本発明の構成により新たに生じる課題として、２つの偏向器の偏向方向の調整があげられる。本実施例では２つの偏向器とビームスリットの間に電磁レンズを配置したために、偏向方向が回転することになる。したがって、電磁レンズによる電子ビームの回転を見越して、電磁偏向器と静電偏向器の偏向器内での偏向方向をビームスリットのビーム制限方向と異なる方向に設定すると良い。偏向方向は電磁レンズの励磁に応じて設定することが有効である。本実施例では電磁レンズにより電子ビームが４５度回転するために、図４に示すように、偏向器内での静電偏向器の偏向方向３１０と電磁偏向器の偏向方向３１１もそれぞれ４５度回転させている。その結果、ビームスリット１７０上での偏向色収差発生方向３０４は、ビームスリットのビーム制限方向（スリット開口３０２の短軸方向）と一致するようになる。偏向方向の回転角度は、偏向に伴うスリット透過電流の変化を最大にする方向に偏向することで調整できる。なお、静電偏向器と電磁偏向器は互いの偏向方向を１８０度回転して偏向している。

次に、本実施例ではビームスリット１７０の下段にも同様の光学構成を配置している。これは静電偏向器と電磁偏向器の組を下段にも設けることで、ビームスリット１７０の上で発生させた偏向色収差を相殺して、試料上での電子ビーム形状に影響を残さないためである。配置の順は上部と逆になり、上流からビームスリット１７０、第２コンデンサレンズ１０５、第２静電偏向器１６０と第２電磁偏向器１６１の組の順に配置している。図ではビームスリット１７０を挟んで対称に近く配置しているが、本発明のもとでは偏向色収差の発生効率が高いために寄生収差も小さく、必ずしも対称形である必要はない。これは光学系の設計を柔軟にできるため、本発明の利点の１つと考えられる。但し、上段のＥｘＢにより発生する偏向色収差による電子ビームの分解能の劣化がシステム上重要な問題ではない場合、例えば分析を主とする場合や一方向の分解能のみ求められる場合には、必ずしも下段のＥｘＢは必須ではない。

また、図５と図６は光学素子の他の配置例を示す模式図である。いずれも片側の電磁偏向器と静電偏向器の組と、ビームスリットとの間に電子レンズを配置している。図５の例では、ビームスリット１７０より上流側の光学系において、第１静電偏向器１５０と第１電磁偏向器１５１の組と、ビームスリット１７０との間に第１コンデンサレンズ１０３が配置されている。また、図６の例では、ビームスリット１７０の下流側の光学系において、第２静電偏向器１６０と第２電磁偏向器１６１の組と、ビームスリット１７０との間に第２コンデンサレンズ１０５が配置されている。これらの光学系によると片側のみではあるが、本発明の効果である軸上色収差の増大を抑制しながら偏向色収差の発生効率を向上させることが可能となる。

以上の構成において、静電偏向器に１ｋＶの負電圧を印加することで、ウイーンフィルターを使わない場合に比較して例えば電子ビームのエネルギー分散の５０％低減と分解能の２０％の向上を図ることが出来た。

［実施例２］
図７は、実施例２の走査電子顕微鏡を示す全体概略図である。図１に示した実施例と異なるのは、図１の第１電磁偏向器１５１と第２電磁偏向器１６１が本実施例ではそれぞれ２段型第１電磁偏向器１５２と２段型第２電磁偏向器１６２に変わったことである。２段型第１電磁偏向器１５２は２段型第１電磁偏向器制御部１５６によって制御され、２段型第２電磁偏向器１６２は２段型第２電磁偏向器制御部１６６によって制御される。

電子レンズを新たに配置したことにより生じるもう１つの課題は静電偏向器と電磁偏向器の組と電子レンズとのアライメント誤差である。偏向器を出射した電子ビームが電子レンズの中心を通過しないと新たな収差を発生し、分解能の劣化要因となる。これを回避するための機構が本実施例での２段電磁偏向器である。２段電磁偏向器は２段に配置された電磁偏向器がそれぞれ独立に制御可能である。その結果制御可能となる偏向軌道の例を図８に示す。偏向色収差生成軌道６０１はエネルギーフィルターとして使用するための軌道で、静電偏向器の中心が偏向中心となるように制御されている。この２段電磁偏向器による偏向中心制御はWO 2012/050018 A1にも記載されている。本実施例では、この２段電磁偏向器を図１の配置と組み合わせることにより、公知例にない効果を見出している。それがレンズアライメント軌道６００である。２段電磁偏向器の偏向中心をビームスリット上に設定することで、電子ビームとスリット開口の位置関係に影響を与えることなく、第１コンデンサレンズ１０３の中心がずれた場合でも、レンズ中心に電子ビームをアライメントすることが可能となる。但しこの場合は、スリット上で電子ビームが傾斜することになるために、更に下段で角度調整を必要とする可能性はある。

もう１つのレンズアライメント軌道６０２の例を図９に示す。この例ではレンズに対して垂直に電子ビームを偏向している。この軌道でも第１コンデンサレンズ１０３がずれた場合のアライメントが可能である。更に、この軌道はビームスリット１７０上への垂直入射を維持していることが利点となっている。逆に、ビームスリット１７０上での電子ビーム位置にずれが生じるが、スリット開口の位置をスリット移動機構１７１により調整することで問題は解決する。スリット移動機構１７１は、電子ビームを移動させずにアライメントが可能なようにスリット幅より短い距離精度で微動出来るように作られている。このようにレンズ中心のアライメントとビームスリット上でのアライメントを分けて制御することでアライメントを容易に行うことが可能となる。

以上の構成において、一例として分解能の２５％の向上を図ることが出来た。なお電磁偏向器ではなく、静電偏向器を２段とすることでも同様の効果を得ることが可能である。

［実施例３］
図１０は、実施例３の走査電子顕微鏡を示す全体概略図である。図７に示した実施例との差は、本実施例では第２アライナー７００がビームスリットの下に設けられていることにある。第２アライナー７００は第２アライナー制御部７０１によって制御される。

図１０に示した構成では下段の第２コンデンサレンズ１０５が下段の静電偏向器と電磁偏向器の組より上にあるため、第２コンデンサレンズ１０５の中心に電子ビームをアライメントするために第２アライナー７００を使用した。本構成によって、一例として分解能の２７％の向上を図ることが出来た。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０１…電子銃、１０２…第１アライナー、１０３…第１コンデンサレンズ、１０５…第２コンデンサレンズ、１０６…第１走査偏向器、１０８…第２走査偏向器、１１３…対物レンズ、１１４…試料、１１５…ステ…ジ、１１６…１次電子、１１７…２次電子、１２１…検出器、１４５…記録装置、１４６…制御演算装置、１４７…表示装置、１５０…第１静電偏向器、１５１…第１電磁偏向器、１５２…２段型第１電磁偏向器、１５４…第１静電偏向器制御部、１６０…第２静電偏向器、１６１…第２電磁偏向器、１６２…２段型第２電磁偏向器、１６６…２段型第２電磁偏向器、１７０…ビームスリット、１７１…スリット移動機構、２００…電子ビーム軌道、２０１…物面、２０２…中間像面、２０３…像面、３０２…スリット開口、６００…レンズアライメント軌道、６０１…偏向色収差生成軌道、６０２…レンズアライメント機構、７００…第２アライナー

Claims (3)

1. １次電子を放出する電子銃と、
   所定のエネルギーを有する電子を通過させるエネルギーフィルターと、
   試料を保持するステージと、
   前記エネルギーフィルターを通過した１次電子を前記ステージに保持された試料に照射する対物レンズとを有し、
   前記エネルギーフィルターは、重なり合った電磁偏向器と静電偏向器の組と、ビームスリットとを含み、
   前記ビームスリットと、前記電磁偏向器と前記静電偏向器との組と、の間に電子レンズを有し、
   前記電子銃、前記電磁偏向器と前記静電偏向器との組、前記電子レンズ及び前記ビームスリットのそれぞれは前記ビームスリット上への結像が拡大系になれるように配置されており、
   前記電子レンズは電磁レンズであり、前記電磁偏向器と前記静電偏向器の偏向方向を前記ビームスリットのビーム制限方向と異なる方向に設定することを特徴とする電子ビーム装置。
2. 請求項１記載の電子ビーム装置において、
   前記電磁偏向器と前記静電偏向器の偏向方向を前記電磁レンズの励磁に応じて前記ビームスリットのビーム制限方向と異なる方向に設定することを特徴とする電子ビーム装置。
3. １次電子を放出する電子銃と、
   所定のエネルギーを有する電子を通過させるエネルギーフィルターと、
   試料を保持するステージと、
   前記エネルギーフィルターを通過した１次電子を前記ステージに保持された試料に照射する対物レンズとを有し、
   前記エネルギーフィルターは、重なり合った電磁偏向器と静電偏向器の組と、ビームスリットとを含み、
   前記ビームスリットと、前記電磁偏向器と前記静電偏向器との組と、の間に電子レンズを有し、
   前記電子銃、前記電磁偏向器と前記静電偏向器との組、前記電子レンズ及び前記ビームスリットのそれぞれは前記ビームスリット上への結像が拡大系になれるように配置されている電子ビーム装置において、
   前記ビームスリット上への結像が拡大系となる水準の負電圧を前記静電偏向器に印加するステップを有する試料の観測方法。

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