JPH0547331A

JPH0547331A - 走査電子顕微鏡

Info

Publication number: JPH0547331A
Application number: JP3207706A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Nakasuji; 護中筋; Hiroyasu Shimizu; 弘泰清水
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1991-08-20
Filing date: 1991-08-20
Publication date: 1993-02-26

Abstract

(57)【要約】【目的】試料面に強い磁場をかけることなしに、その
試料面に形成された高いアスペクト比の穴の底部を良好
に観察できるようにする。【構成】電子銃１側の上極１５ａとこの上極に対向す
る下極１５ｂとの間に試料９を収納する対物レンズ１４
を有し、その試料９からの２次電子を検出してその試料
９の表面を観察する走査電子顕微鏡において、その電子
銃１側の上極１５ａの外径φ１よりもその下極１５ｂの
外径φ２を小さくする。その試料９の表面の穴９ａの底
部から略垂直方向に放出された２次電子は、その上極１
５ａの側に発散する状態の磁場に沿って２次電子検出器
１０に入射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばアスペクト比
（深さ／内径）が高い穴の底であっても良好に観測でき
る走査電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡の観測対象は様々である
が、例えばシリコン基板上に塗布された厚さ１．５μｍ
程度のレジストの薄膜に形成された内径が０．３μｍ〜
０．８μｍ程度の穴を通してそのシリコン基板の表面の
状態を観測したい場合がある。このようなアスペクト比
（深さ／内径）が高い穴の底を明瞭に観測するために
は、所謂インレンズ型の対物レンズを用いた走査電子顕
微鏡が使用される。

【０００３】図３は従来のインレンズ型の対物レンズを
用いた走査電子顕微鏡の構成を示し、この図３におい
て、電子銃１から光軸ＡＸを軸として放出された電子線
は照射レンズ２により１度集束される。この集束された
電子線は再び拡散した後、２段の偏向器３及び４よりな
る電子線走査装置により２次元的又は１次元的に走査さ
れてインレンズ型の対物レンズ５に入射する。この対物
レンズ５は試料上で電子線のビーム径が最小になるよう
に電子線を絞り込むものである。

【０００４】この対物レンズ５において、６は略円筒型
のヨークを示し、このヨーク６の電子銃１側には光軸Ａ
Ｘを中心とした開口部を有し外径がφ１の円筒状の上極
６ａが形成され、この上極６ａの周囲にコイル７が巻回
され、この上極６ａに対向するように外径がφ２の円板
状の磁性材料よりなるテーブルを兼用した下極８が配置
されている。この下極８は非磁性材よりなる基台１２Ａ
上に載置され、この基台１２Ａは真空シール材１２Ｂを
介してヨーク６の底面部６ｂに密着し、この底面部６ｂ
と下極８とにより磁気回路が形成されている。そして、
そのテーブル兼用の下極８の上に試料９が支持されてい
る。そのテーブルを任意の位置に移動させても対物レン
ズ５が動作するように、その下極８の外径φ２は十分大
きい寸法に設定されている。従って、上極６ａの外径φ
１は下極８の外径φ２よりも小さく設定されている。そ
の試料９は、そのヨーク６の外壁に形成された図示省略
された穴を通して外部より位置を変えることができるよ
うになされている。

【０００５】その上極６ａの先端部からわずかに離れた
位置に、光軸ＡＸを中心とした開口部を有する円板状の
２次電子検出器１０が配置され、この２次電子検出器１
０とその上極６ａの先端部との間に光軸ＡＸを中心とし
た小さな開口部を有する開口アパーチャ板１１が配置さ
れている。２次電子検出器１０は、ガラス板の表面にシ
ンチレータを塗布して例えば５〜２０ｋＶの高電圧をか
けたものであり、そのシンチレータに試料から放出され
た２次電子が衝突すると光が射出され、この光が図示省
略したライトガイドを介して光電変換素子に導かれる。
また、開口アパーチャ板１１は、例えば白金又はモリブ
デン等の高融点金属から形成され、試料９に照射される
１次電子線の開口数を所定の値に制限する。なお、図３
例においては、簡単のため非点補正装置及びアライナ等
は省略してある。

【０００６】従来はφ１＜φ２が成立しているので、上
極６ａと下極８との間に形成される磁場Ｂは上極６ａ側
で強く下極８側（即ち、試料９側）で弱くなっている。
例えば試料９の表面に高いアスペクト比の穴９ａが形成
されているものとする。そして、電子線走査装置で電子
ビームを走査しているときに、電子銃１側から開口アパ
ーチャ板１１の開口部とその穴９ａの底部とを結ぶ軌跡
１３Ａに沿って１次電子が集束されると、その穴９ａの
底部より２次電子が放出されるので、この２次電子を２
次電子検出器１０まで導くことができれば、その穴９ａ
の底部の状態を映像化して観察することができる。

【０００７】この場合、その穴９ａはアスペクト比が高
いため、磁場Ｂが弱いときにはその穴９ａの底部から放
出される２次電子の内で光軸ＡＸに垂直な方向への初速
度を有するものははとんどその穴９ａの側壁に吸収され
てしまう。これに関して、磁場Ｂの中でその磁場の方向
にｖｚでその磁場に垂直な面内でｖｘの速度成分を有す
る電子は、その磁場Ｂの方向にはそのまま速度ｖｚで進
行すると共に、その磁場に垂直な面内では半径ｒがｖｘ
／Ｂに比例して定まるサイクロトロン運動をすることが
知られている。これは磁場Ｂを強くすればする程その電
子は小さい半径のサイクロトロン運動をすると共に、電
子は磁力線（磁場のベクトル）に沿って螺旋状にからみ
つきながら運動することを意味する。

【０００８】そこで、従来はその試料９の観察面でその
磁場Ｂが強くなるようにして、その穴９ａの底部で発生
した２次電子にその穴９ａの直径よりも小さな直径のサ
イクロトロン運動をさせ、例えば図３の螺旋状の軌跡１
３Ｂに沿ってその２次電子を２次電子検出器１０に導く
ようにしていた。この方法によれば、磁場Ｂを強くする
ことにより、その穴９ａの底部で発生した２次電子の大
部分をその穴９ａの外へ導き出すことができる。

【０００９】一方、その穴９ａの底部から光軸ＡＸに略
平行に電子銃１側に放出される２次電子は、高い磁場を
かけなくともそのままその穴の外に出ることができる。
しかしながら、従来は上極６ａの方が下極８に比べて磁
場がかなり強いので、そのように光軸ＡＸに略平行に放
出された２次電子はその上極６ａの方向に進んでしま
い、２次電子検出器１０では捕捉できない傾向があっ
た。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来の装置によれば、
試料面での磁場Ｂを強くすることによりその試料面に形
成されたアスペクト比の高い穴９ａの底部の状態を観察
することができる。この場合、その穴９ａの直径がより
小さくなると、その直径よりも更に小さい直径のサイク
ロトロン運動をさせるためには、その試料面に非常に強
い磁場をかけなければならない。しかしながら、磁性体
の飽和等の現象により強い磁場の発生には限界があり、
直径がある程度よりも小さい穴の底部は良好に観察でき
ない不都合があった。

【００１１】本発明は斯かる点に鑑み、試料面に強い磁
場をかけることなしに、その試料面に形成された高いア
スペクト比の穴の底部を良好に観察できる走査電子顕微
鏡を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、例えば図１に
示す如く、電子銃（１）側の磁極（１５ａ）とこの磁極
に対向する対極（１５ｂ）との間に試料（９）を収納す
る対物レンズ（１４）を有し、その試料（９）からの２
次電子を検出してその試料（９）の表面を観察する走査
電子顕微鏡において、その電子銃（１）側の磁極（１５
ａ）の外径φ１よりもその対極（１５ｂ）の外径φ２を
小さくしたものである。

【００１３】また、本発明は更に、その試料（９）の観
測点（９ａ）をその対物レンズ（１４）の光軸ＡＸから
ずらしたものである。

【００１４】

【作用】斯かる本発明によれば、例えば図２に示すよう
に、その試料（９）の表面に穴（９ａ）が形成されてい
るとすると、１次電子の照射によりその穴（９ａ）の底
部で２次電子が発生する。これら２次電子の内、その光
軸ＡＸに対してなす角度が大きい方向に射出される電子
については、その穴（９ａ）の側壁で大部分が吸収され
てその穴（９ａ）の外には出ないので、２次電子の検出
はできない。しかしながら、その光軸ＡＸの方向又はそ
の光軸ＡＸに対してなす角が小さい方向に射出される２
次電子は、その穴（９ａ）の側壁に衝突することなくそ
の穴（９ａ）の外に出ることができる。

【００１５】その穴（９ａ）の外に出た２次電子は、サ
イクロトロン運動により磁力線の回りを回りながら２次
電子の検出器（１０）の方向に向かって進む。本発明に
おいては、その対物レンズ（１４）のその電子銃（１）
側の磁極（１５ａ）の外径φ１よりもその対極（１５
ｂ）の外径φ２の方が小さくなっているので、磁場は試
料（９）からその電子銃（１）側の磁極（１５ａ）の方
向へは発散する状態になっている。このため、２次電子
は次第にその光軸ＡＸから離れた軌道を取るので、その
光軸ＡＸから離れた位置に２次電子の検出器（１０）を
設けておくことにより、その２次電子はその検出器（１
０）で捕捉することができる。

【００１６】また、磁場はその電子銃（１）側の磁極
（１５ａ）の方向に発散する状態であるため、その検出
器（１０）の位置での磁場の強さは試料（９）の表面で
の強さに比べてかなり小さくなっている。従って、その
２次電子はその磁場の拘束を離れてその検出器（１０）
に印加された正の電圧による電界の方向に向かう軌道を
取り易くなり、その検出器（１０）に入射し易くなる。

【００１７】また、その試料（９）の観測点としての穴
（９ａ）がその対物レンズ（１４）の光軸ＡＸの近傍に
在る場合には、その穴（９ａ）の底部から放出された２
次電子はその光軸ＡＸに沿って進み、検出器（１０）に
は入射しにくくなる。これに対して、その穴（９ａ）を
その光軸ＡＸからずらすようにすると、その穴（９ａ）
の底部から垂直方向に放出された２次電子は磁場に沿っ
た軌道を取りその検出器（１０）に入射し易くなるの
で、その穴（９ａ）の底部を良好に観察することができ
る。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の一実施例につき図１及び図２
を参照して説明しよう。これら図１及び図２において図
３に対応する部分には同一符号を付してその詳細説明は
省略する。図１は本例の走査電子顕微鏡の全体の構成を
示し、この図１において、１４はインレンズ型の対物レ
ンズであり、電子銃１から光軸ＡＸに沿って放出された
電子線を、照射レンズ２により一度集束した後に、偏向
器３及び４よりなる電子線走査装置により偏向してその
対物レンズ１４に照射する。

【００１９】その対物レンズ１４において、１５は光軸
ＡＸを軸とする略円筒上のヨークであり、このヨーク１
５の電子銃１側の面に底面の外径がφ１である皿状の上
極１５ａを形成する。その上極１５ａには光軸ＡＸを中
心として直径がφ３の円形の開口部１５ｃを穿ち、その
上極１５ａに対向するようにそのヨーク１５の底面部に
外径φ２の円柱状の下極１５ｂを形成し、この下極１５
ｂの周囲にコイル１６を巻回する。そして、本例ではそ
の上極１５ａの底面部の外径φ１が、その下極１５ｂの
外径φ２よりも大きくなるようにする。即ち、φ１＞φ
２が成立するので、本例の場合には、磁力線（磁場Ｂの
ベクトル）は下極１５ｂから上極１５ａの方向に発散す
るような状態となる。磁場Ｂの強さは磁束の全面積に反
比例するので、本例では下極１５ｂ側よりも上極１５ａ
側の方が磁場が弱い。

【００２０】数値的には、一例として上極１５ａの底面
部の外径φ１は１０〜３０ｍｍ程度、開口部１５ｃの内
径φ３は５〜１０ｍｍ程度、下極１５ｂの外径φ２は５
〜１５ｍｍ程度であり、上極１５ａと下極１５ｂとのギ
ャプは５〜１５ｍｍ程度である。

【００２１】また、そのコイル１６の上に載置された移
動自在なテーブル８Ａ及び８Ｂを介して、その上極１５
ａと下極１５ｂとの間のこの下極１５ｂに近い位置に試
料９を設置し、そのヨーク１５の側壁に形成された穴１
５ｃを通してその試料９の位置を適宜変えるようにす
る。そして、その試料９の上方でその上極１５ａに近い
位置に高電圧が印加された２次電子検出器１０を配置
し、この２次電子検出器１０とその上極１５ａとの間に
開口アパーチャ板１１を配置する。

【００２２】本例でアスペクト比の高い穴の底部を観察
する場合の動作について説明するに、本例の観察対象
（観側点）は試料９の表面に形成された穴９ａであると
する。この場合、偏向器３及び４に所定の直流電流を流
すことによって、１次電子線は開口アパーチャ板１１の
開口部を通る軌跡１２に沿ってその穴９ａの底部に達す
る。そして、それら偏向器３及び４に交流電流を重畳し
てその１次電子線でその試料９の表面を面走査すること
によって、その穴９ａを囲む所定領域の平面像を得るこ
とができる。

【００２３】図２を参照して、その穴９ａの底部から発
生した２次電子の状態について説明する。この場合、本
例では上極１５ａの外径の方が下極１５ｂの外径よりも
大きいので、磁力線（磁場Ｂのベクトル）は下極１５ｂ
から上極１５ａの方向に発散するような状態で形成され
ている。従って、その穴９ａの底部に略垂直な方向に
（即ち、光軸ＡＸに略平行に）放出された２次電子は、
例えば軌跡１７に沿ってサイクロトロン運動に基づく螺
旋運動をしながら２次電子検出器１０に入射する。特に
本例では上極１５ａ側での磁場は下極１５ｂ側に比べて
弱いので、その穴９ａの外部に放出された２次電子は、
その上極１５ａ側の磁場に拘束されることなくその２次
電子検出器１０に印加された高電位に引かれて、その検
出器１０に入射し易くなっている。

【００２４】同様に、その穴９ａの底部から発生した２
次電子の内、光軸ＡＸに対する傾きが比較的小さく１回
程度その穴９ａの側壁に反射されただけで外部に放出さ
れるものは、例えば磁力線に平行になる軌跡１８に沿っ
てその検出器１０に入射することができる。図１に戻
り、本例においては、上極１５ａの外径φ１を下極１５
ｂの外径φ２の３倍程度以上に設定したときに、特にそ
の穴９ａの底部を良好に観察することができた。この場
合には、２次電子検出器１０上における磁場の強さは、
試料９上における磁場の強さに比べて略１／１０になっ
ているので、２次電子検出器１０上での磁場の強さを試
料９上での強さの１／１０程度以下にすると、特に良好
に穴の底部を観察できることになる。また、磁場の強さ
は通常の低加速電圧の一次電子線を通常に合焦させるの
に必要な強さで良く、試料９の位置での磁場の強さが例
えば１０００ガウス程度であるときには、外径φ１が外
径φ２の３倍程度の場合には２次電子検出器１０の位置
での磁場の強さは１００ガウス程度である。

【００２５】このように本例によれば、試料の表面の穴
の底部から略垂直方向に放出された２次電子を積極的に
捕捉するようにしているので、その試料面での磁場の強
さを通常よりも大きくすることなく、アスペクト比の高
い穴の底部を良好に観察することができる利点がある。
更に、その穴の内径が小さい場合でもその穴の底部から
略垂直に放出される２次電子は存在するので、磁場を特
に強くすることなくその穴の底部を観察することができ
る。

【００２６】なお、図２では説明の便宜上、その穴９ａ
の中心と光軸ＡＸとの間隔δは大きくしてあるが、実際
にはその間隔δが１００μｍ程度であるときに、その穴
９ａの底部を明るく良好に観察することができた。逆に
その穴９ａが光軸ＡＸ上に位置すると（即ち、δ＝
０）、その穴９ａの底部は暗くなり観察しにくくなっ
た。これは、その場合には、その穴９ａの底部から光軸
ＡＸに略平行に放出された２次電子はそのまま２次電子
検出器１０には捕捉されずに電子銃１の方向に進んでし
まうからであると考えられる。

【００２７】また、図１において、その開口アパーチャ
板１１をより電子銃１側に移動して固定し、その２次電
子検出器１０を偏向器４と上極１５ａとの中間の位置１
９に設けた場合でも、その穴９ａの底部を良好に観察す
ることができた。これは、その上極１５ａより上の部分
は磁界が弱く、２次電子はその２次電子検出器が作る高
電位の電界に引かれて、その２次電子検出器に入射し易
いからであると考えられる。

【００２８】このように、本発明は上述実施例に限定さ
れず本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り
得る。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、電子銃側の磁極の外径
よりも対極の外径を小さくしているので、その電子銃側
の磁極の近傍に２次電子の検出器を配置した場合には、
試料面からその検出器に向かって対物レンズの磁場が発
散するような状態になる。従って、その試料表面の穴の
底部から対物レンズの光軸に略平行に放出された２次電
子は、サイクロトロン運動によりその磁場に沿って回転
運動をしながらその光軸から離れた位置に在る２次電子
検出器に入射するので、その穴のアスペクト比が高い場
合でもその穴の底部を明るい状態で良好に観察できる利
点がある。この場合、その磁場の強さは通常の低加速電
圧の１次電子線を通常に合焦させるに必要な程度であれ
ばよく、特に強くする必要はない。

【００３０】また、試料の観測点を対物レンズの光軸か
らずらすようにした場合には、その試料表面の穴の底部
からその光軸に略平行に放出された２次電子は、２次電
子検出器に入射し易くなるので、その穴の底部がより観
察し易くなる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による走査電子顕微鏡の一実施例の構成
を示す断面図である。

【図２】図１の要部の拡大図である。

【図３】従来の走査電子顕微鏡の構成を示す断面図であ
る。

【符号の説明】１電子銃２照射レンズ３，４偏向器９試料９ａ穴１０２次電子検出器１１開口アパーチャ板１４対物レンズ１５ａ上極１５ｂ下極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子銃側の磁極と該磁極に対向する対極
との間に試料を収納する対物レンズを有し、上記試料か
らの２次電子を検出して上記試料の表面を観察する走査
電子顕微鏡において、上記電子銃側の磁極の外径よりも上記対極の外径を小さ
くした事を特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項２】上記試料の観測点を上記対物レンズの光
軸からずらした事を特徴とする請求項１記載の走査電子
顕微鏡。