JPH03230464A

JPH03230464A - 走査型電子顕微鏡

Info

Publication number: JPH03230464A
Application number: JP2024336A
Authority: JP
Inventors: Akira Yonezawa; 彬米澤
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1990-02-02
Filing date: 1990-02-02
Publication date: 1991-10-14
Anticipated expiration: 2014-11-02
Also published as: JP2969219B2

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、大径の半導体ウェハ等大径の試料を高分解能
傾斜観察できる走査型電子顕微鏡に関するものである。

〔発明の概要〕

本発明は、電子顕微鏡の対物レンズとして、磁極の一極
を１次電子線の光軸近傍に細く絞った内側磁極とし、他
の極（外側磁極）は光軸より離した第１の磁界型対物レ
ンズ（単極磁界型対物レンズ）と、少なくとも一部が前
記内側磁極の円錐状に形成されている内筒内に位置する
小型の上下磁極を有する第２の磁界型対物レンズ（また
はアインツェルンレンズ等の静電型対物レンズ）と、前
記小型磁界型対物レンズの上方に２次電子を検出する２
次電子検出装置と、第１と第２の対物レンズの強度をお
のおの独立して制御して供給する手段を備え、高倍率観
察時は、第１の対物レンズの強度を高くし、低倍率観察
時は第２の対物レンズの強度を高くすることにより、試
料の位置を変えることなく高倍率観察時に高分解能観察
ができ、低倍率観察時には、高解像度でかつ観察面外周
部において歪みが少なく、広い視野を観察できるように
した走査型電子顕微鏡である。

前述第２の対物レンズは静電レンズでも同様の効果があ
る。

〔従来の技術〕

近年、半導体開発の製造分野において、大径のウェハを
大角度傾斜して、高倍率高分解能観察ができ、かつ低倍
率で広視野像観察可能な走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が
望まれている。

従来、特開昭５７−ｍｍ８３５号公報に走査型電子顕微
鏡の対物レンズとして第２図に示すものが開示さている
。１次電子線の光軸の回りに、上下磁極片３．４を形成
するような内筒ヨーク１ａを持つレンズヨーク１と、そ
のレンズヨークを励磁する第１のコイル２と、前記レン
ズヨークの上側コーク１ｂと一体化された付加ヨーク７
を外筒ヨークＩＣの外側に設けて、その端部に第３の磁
極片８を形成し、該第３の磁極片８と下磁極片４との間
に磁場を形成するための第２の励磁コイル９よりなる磁
界レンズである。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般に、走査型電子顕微鏡に於いて、高分解能で高倍率
の試料観察を行う場合、対物レンズ頂面と試料間の距離
ワーキングデイスタンスＷを小さくし、色収差係数及び
球面収差係数を小さくして、観察する必要がある。また
低倍率の試料観察を行う場合、ワークデイスタンスを大
きくとる必要がある。低倍率観察の場合、ワーキングデ
イスタンスを小さくすると、走査領域が広い低倍率観察
において、走査系の偏向収差と対物レンズの軸外収差が
大きくなり、視野周辺部において大きな歪、周辺ボケを
生しるからである。この従来例は通常の走査型電子顕微
鏡の対物レンズに付加ヨーク７及び励磁コイル９を設け
た磁界型レンズと言える。

高倍率の観察を行う場合、励磁コイル９を働かせれば、
試料位置に強い磁場が生しるため、通常の対物レンズに
おけるよりも一層色収差及び球面収差が低減され、より
高分解能像を得ることが可能である。この場合において
もワーキングデイスタンスを小さくした方がより小さい
収差係数が得られる。しかしながら、低倍率観察すると
きは、通常の対物レンズにおけるよりもいっそう、大き
な歪及び周辺ボケが生しやすく、低倍率観察は困難であ
る。この従来例に於いて、低倍率の試料観察を行う場合
、励磁コイル２のみを励磁し、通常の対物レンズとして
作動させることにより、歪及びボケを低減させることが
考えられる。しかしながら、励磁コイル２で発生する磁
界は上磁極片３と下磁極片４の間であり、磁極片４は励
磁コイル９で励磁される励磁片と共用されているため、
高分解能観察の条件である小さいワーキングデイスタン
スに試料が設定されている場合、上述した様に大きな歪
および周辺ボケが生しる。つまり、低倍率観察時はワー
キングディスクンを大きく、高倍率観察時はワーキング
デイスタンを小さくする必要があり、その都度試料位置
をずらさなければならなかった。

また、試料表面から出た２次電子は上下磁極片３．４と
の間及び下磁極面と第３の磁極面８の間に形成された磁
界により拘束され、内筒ヨークｌａ内上方に向かうが、
内筒ヨークｌａ内には磁場が存在しないため、内筒ヨー
ク１ａを通過する２次電子は広がりその一部は内筒ヨー
クｌａの壁に衝突し、その壁で吸収される。従って、上
記従来例において、２次電子検出器を対物レンズの上部
に置くと２次電子検出効率が低下しやすい。なお、２次
電子検出器を通常の走査型電子顕微鏡において行われて
いる様に、試料の側方に置くことも考えられるが、励磁
コイル９を働かせた場合、試料からの２次電子は、試料
近傍に生しる磁場により、電子線光軸上に拘束され、下
磁極片４の穴に向かう為、十分に２次電子を検出するこ
とができない。

ここで、電子顕微鏡の表示手段であるＣＲＴの画面１０
０ｍｍ’周辺における歪が１％以下とすることができる
最低倍率（ＭＡＧ　ｍ１ｎ）と対物レンズ主面と試料表
面との距離１　＋ｕとの関係の一例を第３図に示す。但
し、ビーム走査は２段偏向系で行っている。第３図より
、ｌが１０ｆｌでは歪が１％以下の画像を得るには８０
倍以上の観察倍率を必要とし、ｐがそれ以下の場合、さ
らに急速に最低倍率ＭＡＧ　ｍ１ｎ）が高くなる。例え
ば、従来例で示した励磁コイル９を強く励磁すると、対
物レンズ主面と試料表面との距離ｌはほぼ数酊以下とな
り、歪が１％以下の画像を得るには２００倍以上の倍率
で観察しなければならない。つまり、第３図から、２０
倍以下の観察画像を歪が１％以下で必要な場合は、ｐを
３ＯＮ以上必要であることが分かる。

一方、ｌを大きくすると、観察画像の分解能が低下しや
すい問題点がある。第４図に加速電圧ＩＫＶでタングス
テンヘアピン型熱電子術を使用した場合の分解能ｄとｐ
との関係を示した。ｌが６゜ｎ以上では分解能ｄは０．
　２ＪＩｍ以上になる。もし、観察倍率が１０００倍の
時、観察画面上の分解能は０．２＊＊　（０，２咀Ｘ　
１０００）以上になり、画質の劣化が顕著になる。

また、第８図にｐに対する電子ビームを試料表面に集束
させるのに必要な磁界型対物レンズのレンズ起磁力Ｊ　
／ｕ　Ｉ／２　　（Ｊはコイルのアンペアターン、Ｕは
一次電子線の加速電圧を示す）の大きさの例を示す。尚
、下側磁極と上側磁極の間隙ＳをｌＱ＋ｎ、穴径Ｂを２
０１とした。図より、ｐが小さい程、起磁力が大きくり
、特にｌがＩｏｎ以下では急速に起磁力が増大すること
がわかる。コイルの発熱量はほぼコイル断面積等の逆数
及び起磁力Ｊの二乗に比例するから、レンズを小型化し
てｌを小さくすることは困難であることがわかる。

ρが３０ｍｍ以上では比較的小さい起磁力Ｊで電子ビー
ムを試料表面に集束させることができ、レンズの小型化
が比較的容易である。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記課題を解決するたキ′〕に、内筒ヨーク
部に内側磁極と前記内筒の外側にある外筒ヨーク部に外
側磁極を有する第１のレンズヨークと、第１のレンズヨ
ークを励磁するための第１のコイルを備え、前記内筒ヨ
ーク部先端に設けられた磁極頂面と、これに連接する先
細状の円錐形状ををし、外側磁極の先端は試料に対して
、前記磁極頂面と同じ側に在り、前記磁極頂面より光軸
方向において離れて形成されている第１の対物レンズと
、少なくとも一部が光軸方向において前記内筒ヨークの
円錐形状部に掛かるように設けられた磁場型あるいは静
電型の小型の第２の対物レンズと、検出部分が前記内筒
ヨーク内にあり、且つ前記走査系と前記第２の対物レン
ズの間にある２次荷電粒子検出器とを備え、前記第１のコイルと前記第２のコイルへの励磁電流の供
給あるいは、前記第２の静電型対物レンズへの印加電圧
を互いに独立して制御する手段を備えたことを特徴とす
る走査型電子顕微鏡である。

つまり、高倍率観察用の対物レンズと、低倍率観察用の
小型の対物レンズを備えた走査型電子顕微鏡である。

〔作用〕

内筒ヨーク部に内側磁極と前記内筒の外側にある外筒ヨ
ーク部に外側磁極を有する第１のレンズヨークと、第１
のレンズヨークを励磁するための第１のコイルを備え、
前記内筒ヨーク部先端に設けられた磁極頂面と、これム
こ連接する先細状の円錐形状を有し、外側磁極の先端は
試料に対して、前記磁極頂面と同じ側に在り゛、前記磁
極頂面より光軸方向において離れて形成されている第１
の対物レンズと、少なくとも一部が光軸方向において前
記内筒ヨークの円錐形状部に掛かるように、上側磁極と
下側磁極を有する第２のレンズヨークと第２のレンズヨ
ークを励磁するための第２のコイルを有する小型の第２
の対物レンズとの独立した２つの対物レンズを備えてい
るため、試料の位置を移動せずに小型の第２の対物レン
ズと試料位置の間のワーキングデイスタンスを大きくと
れ、低倍率試料観察時にも、高解像度で観察できる。ま
た、小型筒２の対物レンズを２次電子検出器直下に備え
ているため磁場が２次電子検出器近傍まで形成されるの
で、２次電子を効率よく検出できる。

〔実施例〕第１図に本発明の一実施例を示す。電子銃１２の下に設
けられた電子銃１２より発生した１次電子線（電子ビー
ム）１４は２つの集束レンズ１３．１３により集束され
る。集束された電子線１４をＸ、Ｙ方向へ走査するため
のその下段に走査コイル（走査電極でも可能である）１
７．１７が２段備えられている。更に、大径の試料５を
大角度傾斜観察可能にする形状を有する第１の対物レン
ズ）１が備えられている。つまり、第１の対物レンズ）
１の先端が円錐形状になっており、大型の試料を大きく
傾けても（試料５ａ）第１の対物レンズ２２に接触しな
いようになっている。第１の対物レンズ２２は、内筒ヨ
ーク２０と、その上端に上ヨーク１５と、上ヨーク１５
の外側には内筒ヨーク２０を取り囲むような外筒ヨーク
１８と、内筒ヨーク２０の下端には、円錐状の円錐ヨー
ク１９と、円錐ヨーク１９の端部内側に１次電子線光軸
に対して直角な平面上に平行にドーナツ状の磁極頂面２
１と、外筒コーク１８と上ヨーク１５と内筒ヨーク２０
に取り囲まれる所に巻かれた第１の（励磁）コイル１６
とからなっている。これは、所謂単極型磁界レンズの一
例である。第１のコイル１６に電流を流し励磁すると、
磁極頂面下方にレンズ磁界が形成される。ここで、第１
のコイルの励磁を大きくすると第１の対物レンズＨによ
る１次電子線の焦点距離は短くなり、収差係数が非常に
小さくなる。なお、第１の対物レンズ２２の第１の励磁
コイル１６と外筒ヨーク１８の外磁極面２５は、磁極頂
面２１より電子線源側に引っ込んでいる位置にあり、且
つ内筒ヨーク２０は先端に設けられた小径の磁極頂面２
１とこれに連接する先細状の円錐形状をしている円錐ヨ
ーク１９を有しているため、試料として大径のウェハ等
を大きく傾斜しても（点線で示した試料５ａ）観察でき
るようになっている。

次に、本発明の大きな特徴である、小型の第２の対物レ
ンズについて説明する。第２の対物レンズ２７は、第１
の対物レンズに実質的に独立して設けられており、光軸
側（内径側）に上側磁極２３と下側磁極２４となる上下
端部を有し、はぼ中空回転体形状の第２のレンズヨーク
３０と、前記中空に形成された、第２のコイル２６より
なる。

第２の対物レンズｍｍは、その一部が少なくとも第１の
対物レンズＨの円錐ヨーク内に載置されており、残りの
一部は内筒ヨーク２０に納められてもよい。第２のコイ
ルに電流を流した場合、第２のレンズヨーク３０の上側
磁極２３と下側磁極２４との間に磁界が生し、電子線の
磁界レンズとして作用する。小型の第２の対物レンズ２
７は第１の対物レンズ２２に対して独立して設けられて
いるため、従来例として示したものより、試料５の表面
から比較的遠くにレンズ位置をもってくることができる
。このため、試料５の位置をずらすことなく、ワーキン
グデイスタンスを長くでき、作用の項で説明したように
、主に、第２の対物レンズ２７を作動させることにより
、歪及び周辺ボケの少ない低倍率観察ができる。

第２の対物レンズ２７の間隙（上側磁極２３と下側磁極
２４との間）Ｓはｌｏ＋ｕ、上側磁極２３と下側磁極２
４の内径Ｂは２０ＩＮ、第１の対物レンズＨの磁極頂面
２１と第２の対物レンズＩ↑の間隙中心との距ＭＬは４
０璽重になっている。

電子銃２より発生した電子線１４は２段の集束レンズ１
３．１３により集束され、走査系１７．１７を通過する
。高倍率観察時は、第１の対物レンズ（単極磁界レンズ
）主１を強く励磁し、小型の第２の対物レンズｍｍを弱
く又は、ゼロ励磁する（第５ａ図参照）。走査電極を通
った電子線１４は主に第１の対物レンズＨの作用により
、磁極頂面２１からＷの距離にある試料５の表面に集束
される。

低倍率観察時は、第１の対物レンズ）（は弱く励磁し、
或いはゼロ励磁して、小型の第２の対物レンズ２７は強
く励磁する第５ｂ図参照）。この時、電子線１４は主に
第２の対物レンズｍｍの作用により、試料５の表面に集
束される。

上記のごとく構成すると、試料５の表面と第１の対物レ
ンズＩ）の磁極頂面２１との距離Ｗが５ｍｍ程度と小さ
い場合（第１の対物レンズ２２を主に励磁して高倍率観
察するときにＷが小さい方がレンズの収差が小さ（なり
、高分解能の画像が得られる。）に於いて、歪や周辺ボ
ケの少ない低倍率の広視野観察ができるし、また、高倍
率観察の時は高分解能の観察ができる。

小型の第２の対物レンズＩ↑の主面と、第１の対物レン
ズの磁極頂面２１との距離りは、３０〜６０酊に設定す
ることが望ましい。第３図に説明した通り、Ｌが３０１
ｍ以下であると、低倍率観察時に、観察領域の外周部に
歪が大きくなり、観察画像が良くならないし、どうして
も、画像の良い低倍率観察を行う時は、試料５の位置を
下に移動させなければならない。また、第４図に説明し
た通り、Ｌが６０ｓｎ以上ある場合は、低倍率観察時に
、観察領域の外周部には歪は小さくなるが、解像度が悪
くなり、観察画像が良くならない。　低倍率観察時に王
に働かす第２の対物レンズ１ユの起磁力Ｊは（Ｌ−４０
ｍｎ、Ｓ＝１０ｍｍ、Ｂ＝２０１、電子線１４の加速電
圧５　ＫＶ、　Ｗ　−５ｖａＯ：）時）３５０アンペア
タ一ンＡＴ程度であり、第２の対物レンズ）１を十分に
小型化することができる。

電子線１４の照射により、試料５の表面から発生する２
次電子は、磁極頂面２１の穴を通過し、第２の対物レン
ズｍｍが励磁さている場合は、その磁場により、電子線
１４光軸上に拘束され、第２の対物レンズ１工の上に設
置されている２次電子検出器３２により検出される。２
次電子検出器３２は走査系１７．１７より下にあり、第
２の対物レンズｍｍの直上にある。また２次電子検出器
３２の検出部分は内筒ヨーク２０内にあり、検出部分（
第１図ではシンチレータ）に接続するライトガイドは内
筒ヨーク２０を貫通し、光電子増倍管に接続されている
。２次電子検出部分を光軸１４を軸にしてドーナツ状に
形成することも可能であり、また、マイクロチャンネル
プレートで形成することも可能である。２次電子検出器
３２は、２次電子の信号強度を走査系の走査信号と同期
した走査信号により走査されている陰極線管（図示せず
）に供給して、２次電子線像を表示する。

第２の対物レンズｍｍは、前述のように大きな起磁力を
必要とせず、十分小型化することができるため、試料５
から２次電子検出器３２の検出部までの距離を短くする
ことができ、よって第２の対物レンズｍｍを励磁しない
場合でも、２次電子は第２の対物レンズ２７の内径部の
壁に衝突することなく２次電子検出器３２の検出部まで
到達することができる。しかし、第２の対物レンズの内
径が小さく、２次電子捕獲効率が低下する場合は、第６
図に示す様に、上下磁極２３．２４の間の間隙の他に、
第２のレンズヨーク３０の内径部に新たな間隙３３を設
け、１次電子縞光軸上の磁界分布を広げ、この磁界によ
り、２次電子を光軸上に集束させることができる。ある
いは、第７図の様に、第２の対物レンズ２７の内径部に
軸対象コイル（ソレノイド）３４を設け、これを励磁す
ることにより、２次電子を光軸上に集束させることがで
きる。これにより、２次電子を更に効率よく検出できる
。

また、２次電子検出器３２を第２の対物レンズ２７と第
１の対物レンズ蛮）の間に設けることも考えられるが、
対物レンズ１童の磁極頂面２１付近において、磁束密度
が高いため、この付近に貫通孔を設け、２次電子検出器
３２を設置すると軸非対称な磁場が生し、軸不良の原因
になりやすい。

なお、第２の対物レンズ２７は静電レンズで構成しても
本願発明の効果は同様にある。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、２次電子を効率良
く検出して、大径の試料を大角度傾斜して観察でき、高
倍率観察において高分解能の画像が得られ、低倍率観察
において、高解像度で歪の少ない広視野の画像が得られ
る。また、高倍率観察、低倍率観察の時に、試料位置を
ずらす必要がなく操作が容易迅速になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は、従
来例の対物レンズの断面図、第３図は、歪が１％以下と
することができる最低倍率（ＭＡＧ＋ｍ１ｎ）と対物レ
ンズ主面と試料表面との距＠　７！ｍとの関係示す図、
第４図は分解能ｄとｌとの関係を示す図、第５ａ図は高
倍率観察時の１次電子線の集束状況を示す断面図、第５
ｂ図は低倍率観察時の１次電子線の集束状況を示す断面
図、第６図は第２の対物レンズの他の実施例を示す断面
図、第７図は第２の対物レンズの更に他の実施例を示す
断面図、第８図は磁界型対物レンズのレンズ起磁力Ｊ／
Ｕ””　　（Ｊはコイルのアンペアターン、Ｕは一次電
子線の加速電圧を示す）とρの関係を示す図である。５・・試料　　　　　　　１２・電子銃１３・集束レン
ズ　　　　１７・走査系２１・磁極頂面 ■・第１の対物レンズｍｍ・第２の対物レンズ３２２次電子検出器以上

Claims

【特許請求の範囲】（１）対物レンズにより細く絞った電子線を電子線走査
系により２次元的に試料表面上を走査し、前記試料の各
走査点から発生する２次電子を２次電子検出器により検
出し、前記走査と同期した陰極線管に前記２次電子強度
を供給して２次電子像を表示する走査型電子顕微鏡にお
いて、内筒ヨーク部に磁極頂面と前記内筒の外側にある外筒ヨ
ーク部に外側磁極を有する第１のレンズヨークと、第１
のレンズヨークを励磁するための第１のコイルを備え、
前記内筒ヨーク部は先端に設けられた磁極頂面と、これ
に連接する先細状の円錐形状を有し、外側磁極の先端は
試料に対して、前記磁極頂面と同じ側に在り、前記磁極
頂面より光軸方向において離れて形成されている第１の
対物レンズと、少なくとも一部が光軸方向において前記内筒ヨークの円
錐形状部に掛かるように設けられた小型の第２の対物レ
ンズと、検出部分が前記内筒ヨーク内にあり、且つ前記走査系と
前記第２の対物レンズの間にある２次荷電粒子検出器と
を備え、前記第１の対物レンズの第１のコイルへの励磁電流と前
記第２の対物レンズの印加電流または印加電圧の供給を
互いに独立して制御する手段を備えたことを特徴とする
走査型電子顕微鏡。（２）前記小型の対物レンズは上側磁極と下側磁極を有
する第２のレンズヨークと第２のレンズヨークを励磁す
るための第２のコイルよりなる請求項１記載の走査型電
子顕微鏡。（３）前記小型の対物レンズは静電レンズよ
りなる請求項１記載の走査型電子顕微鏡。（４）前記小型の第２の対物レンズのレンズ主面と前記
第１の対物レンズの磁極頂面との距離が３０ｍｍ〜６０
ｍｍである請求項１記載の走査型電子顕微鏡。（５）前記内筒ヨーク内に、前記磁極頂面と前記２次電
子検出器の間に、前記電子線光軸回りに２次電子捕捉効
率を向上させるためのソレノイドを設けた請求項１記載
の走査型電子顕微鏡。（６）前記第２の対物レンズは、複数の磁極間隙を有す
る第２のレンズヨークと第２のレンズヨークを励磁する
ための第２のコイルよりなる請求項２記載の走査型電子
顕微鏡。