JPH08138611A

JPH08138611A - 荷電粒子線装置

Info

Publication number: JPH08138611A
Application number: JP6271069A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Nakasuji; 護中筋; Hiroyasu Shimizu; 弘泰清水
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-11-04
Filing date: 1994-11-04
Publication date: 1996-05-31

Abstract

(57)【要約】【目的】インレンズ型で減速電界型の対物レンズを用
いる荷電粒子線装置において、１次荷電粒子線の軸上色
収差を小さく抑え、２次電子を効率良く検出器に集め
る。【構成】アノード３と共に電子銃１からの１次電子を
平行ビームにする静電レンズを形成する電極４と、上極
５ａと下極５ｂとの間に試料１５を載置した対物レンズ
８との間に、試料１５からの２次電子を検出する２次電
子検出器５を設け、電極４に−１００Ｖの電圧を印加す
ると共に、試料１５はグランド電位にする。試料１５へ
の１次電子を１０ｋＶの電圧を印加したライナチューブ
６により減速させる。試料１５からの２次電子が、対物
レンズ８の磁界によりライナチューブ６の上部に出た
後、２次電子検出器５に捕捉される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、荷電粒子線装置に関
し、特に低エネルギーの電子線プローグで試料の観察、
計測等を行う走査型電子顕微鏡、線幅測定機、又はマイ
クロアナライザ等に適用して好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】荷電粒子線を対物レンズとしての電磁レ
ンズにより試料上に収束させて、その試料を観察する荷
電粒子線装置は、今日超微細構造の半導体集積回路の検
査やＤＮＡ或いは蛋白質等の超微細構造を解明する上で
有用である。この種の荷電粒子線装置としては、走査型
電子顕微鏡や線幅測定機等が知られている。以下では、
荷電粒子線装置として、走査型電子顕微鏡を例に取って
説明する。

【０００３】一般的に、走査型電子顕微鏡では、電子銃
から射出された電子線はコンデンサレンズ等で収束され
た後、対物レンズとしての電磁レンズに入射する。電磁
レンズは２つの磁極を持ち、これらの２つの磁極の間に
生ずる磁界により電子線の焦点位置が調整されて、試料
に照射される。そして、試料から発生する２次電子が２
次電子検出器で検出される。

【０００４】以上のような構成において、対物レンズと
なる電磁レンズとして減速電界型で、且つ２つの磁極の
間に対象となる試料を置いて観察するインレンズ型の電
磁レンズを使用すれば、試料に照射される電子線（１次
電子）の軸上色収差係数が大幅に小さくなることが知ら
れている。そのため、従来からこのような構成を持つイ
ンレンズ型の荷電粒子線装置の実用化が計られてきた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
減速電界型で、且つインレンズ型の電磁レンズを使用し
た場合には、２次電子の検出方法に問題があり、今日ま
で実用化された装置は見られない。即ち、従来の荷電粒
子線装置では、試料から放出された２次電子は加速され
て１次電子の減速を行うための電位が印加されたライナ
チューブ等へ入射してしまい、２次電子検出器へ入らな
いため、試料の観察画像が得られないという不都合があ
った。

【０００６】本発明は斯かる点に鑑み、１次電子等の入
射する荷電粒子線の軸上色収差係数を小さくした上で、
更に、２次電子を効率良く２次電子検出器に導くことが
できる荷電粒子線装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による荷電粒子線
装置は、荷電粒子線を収束させるための対物レンズ
（８）の対向する２つの磁極（９ａ，９ｂ）間に試料
（１５）を配置し、その対物レンズ（８）の上極（９
ａ）側に配置された電極（６）とその試料（１５）との
間に電界を形成し、その試料（１５）上にその荷電粒子
線を収束させる荷電粒子線装置において、その対物レン
ズ（８）の上極（９ａ）の上部に、その荷電粒子線の照
射によりその試料（１５）から発生する２次電子を検出
する２次電子検出器（５）を設けたものである。

【０００８】この場合、その対物レンズ（８）の上極
（９ａ）とその２次電子検出器（５）との間に、その荷
電粒子線をその試料（１５）上で走査する走査用偏向コ
イル（７）を設けることが好ましい。また、その２次電
子検出器（５）の２次電子入射口の周囲の少なくとも一
部をその試料（１５）の電位以下の電位が印加された補
助電極（４）で覆うことが好ましい。

【０００９】更に、その補助電極（４）を含んで形成さ
れる静電レンズによる収束作用でその荷電粒子線が光源
像（クロスオーバ）を形成しないようにするのが好まし
い。

【００１０】

【作用】斯かる本発明の荷電粒子線装置によれば、イン
レンズ型の対物レンズ（８）を使用し、対物レンズ
（８）の上極（９ａ）の上部に、荷電粒子線の照射によ
り試料（１５）から発生する２次電子を検出する２次電
子検出器（５）を設けている。従って、上極（９ａ）側
に電極（６）が存在しても、試料（１５）からほぼ全て
の方向に発生する２次電子は、対物レンズ（８）の強い
磁界により一旦光軸近傍に収束し光軸にほぼ平行になっ
た後、通常正の電位に保たれる２次電子検出器（５）に
捕捉される。従って、電極（６）によって入射する荷電
粒子線の軸上色収差を小さくした上で、２次電子の捕捉
効率が良く、ＳＮ比の良い検出像が得られる。

【００１１】また、対物レンズ（８）の上極（９ａ）と
２次電子検出器（５）との間に、荷電粒子線を試料（１
５）上で走査する走査用偏向コイル（７）を設ける場合
には、走査用偏向コイル（７）は２次電子検出器（５）
より下にあるので、例えば２次電子検出器（５）のある
空間に強い偏向電界が発生していても、電子線は視野走
査とは無関係に同じ場所を通るため、視野歪みの発生が
なく、走査に対応してダイナミックに非点補正を行う必
要がない。

【００１２】また、２次電子検出器（５）の２次電子入
射口の周囲の少なくとも一部を試料（１５）の電位以下
の電位が印加された電極（４）で覆う場合には、その電
極（４）によって２次電子が押し戻されるため、試料
（１５）からの２次電子が２次電子検出器（５）に効率
良く入射する。更に、電極（４）を含んで形成される静
電レンズによる収束作用で荷電粒子線が光源像を形成し
ないようにする場合には、１次電子の軸上色収差係数が
より小さく抑えられる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明による荷電粒子線装置の一実施
例につき、図面を参照して説明する。本例は走査型電子
顕微鏡に本発明を適用したものである。図１は、本例の
走査型電子顕微鏡の主要部の断面図を示し、この図１に
おいて、電子銃１から放出された電子線（１次電子）１
３は、電子銃１の下部に配置され、光軸ＡＸを囲むよう
に配置された円筒型で出口がつば状に広がったアノード
電極３で約１０．５ｋＶに加速される。加速された電子
線は、アノード電極３の外側に配置されたコンデンサー
レンズ２によりクロスオーバ（光源像）１９を作り、こ
のクロスオーバ１９からの電子線は、約１０ｋＶの電位
のアノード電極３とアノード電極３の下部に配置された
約−１００Ｖの電位をもつ電極４とによって作られる静
電レンズでほぼ平行ビームにされる。電極４は、その中
央部に電子線を通過させる貫通孔を持ち、後述する２次
電子線検出器の導入開口部を囲む開口を有する下向きの
蓋状に形成されている。平行ビームとなった電子線は、
減速電界型で且つ２つの磁極の間に試料を配置するイン
レンズ型の対物レンズ８により試料テーブル１１のほぼ
中央部に載置される試料１５の上面に収束される。

【００１４】対物レンズ８は、円筒型の空間１６を持
ち、上部が１次電子及び２次電子が通過する円形の貫通
孔の周囲の上極９ａとなり、下部が空間１６側に突き出
した円柱状の下極９ｂとなった円筒状のコア９と、下極
９ｂの周囲に装着されたコイル１０とから構成される電
磁レンズであり、１次電子はこの２つの磁極９ａ，９ｂ
により生ずる磁界により試料１５上に収束される。対物
レンズ８の下極９ｂの直上には、試料テーブル１１が水
平に配置され、試料テーブル１１は試料テーブル１１の
底部に固定された駆動装置１７により移動できるように
なっている。また、試料テーブル１１はアースされてお
り、試料１５の電位はグランド電位（０Ｖ）である。

【００１５】更に、１次電子及び２次電子が通過する対
物レンズ８の上極９ａの内側には、絶縁碍子１２を介し
て円筒状で試料側がつば状に広がったライナチューブ６
が固定されている。ライナチューブ６には、１次電子の
速度を減速するため約１０ｋＶの電圧が印加されてい
る。更に、上極９ａの端部上面には、１次電子で試料１
５の表面を走査するための走査用の偏向器７が設けられ
ている。

【００１６】電子線の照射により試料１５から発生する
２次電子はライナチューブ６に印加された電圧により生
ずる電界で加速されながら対物レンズ８による磁界で曲
げられ、ライナチューブ６には入射することなく、仮想
面１４より上部に進む。仮想面１４の高さはライナチュ
ーブ６のほぼ中間位置である。対物レンズ８の上極９ａ
の上部で、且つ仮想面１４から所定の距離Ｌ（図２参
照）だけ離れた上部で、高い位置に、光軸ＡＸから所定
の距離で２次電子検出器５が配置されている。更に、２
次電子検出器５の前側面は、電極４の側面の開口に挿通
されている。

【００１７】２次電子検出器５は、２次電子の導入開口
部に設けられた前後２枚のメッシュ５ａ，５ｂと、フォ
トマルチプライア５ｃとより構成されている。２枚のメ
ッシュ５ａ，５ｂには、２次電子線を捕獲するため、そ
れぞれ約２０ｋＶ，１０ｋＶの電圧が印加されている。
高電位の２枚のメッシュ５ａ，５ｂにより捕獲された２
次電子はフォトマルチプライア５ｃの受光面に入射す
る。なお、メッシュ５ａ，５ｂは２次電子入射口の全面
に設ける必要はなく、その一部に設けるだけでもよい。

【００１８】次に、本例の荷電粒子線装置の動作につき
説明する。上述のように、電子銃１から射出された１次
電子は、コンデンサレンズ２でクロスオーバ１９を形成
した後、約１０ｋＶの高電圧が印加されたアノード電極
３により加速されると共に、アノード電極３と−１００
Ｖの電圧が印加された電極４とにより作られる静電レン
ズにより平行ビームとなり、２次電子検出器５の前方を
通過して対物レンズ８に入射する。この場合、２次電子
検出器５のメッシュ５ａには２次電子を捕獲するため約
２０ｋＶの高電圧が印加されているが、１次電子は高速
に加速されているため、２次電子検出器５によりその光
路が殆ど折り曲げられることなく直進して対物レンズ８
に入射する。

【００１９】また、クロスオーバ１９とアノード電極３
及び電極４が作る静電レンズの主面間との距離をこの静
電レンズの焦点距離と等しいかそれより短くしたので、
１次電子がこの静電レンズと対物レンズ８との間でクロ
スオーバを作らない。従って、１次電子の軸上色収差係
数が大きくなることはなく、本例では、色収差係数が
０．７ｍｍの高分解能の１次ビームを作ることができ
た。次に、試料１５の表面上には対物レンズ８の２つの
磁極９ａ，９ｂによる強磁場が存在し、試料から全ての
方向に放出された２次電子は、この磁場の収束作用で光
軸ＡＸ近くに収束されて、仮想面１４の上に進み、ビー
ムの向きが光軸ＡＸと平行に近い角度に揃えられた後、
対物レンズ８の上極９ａの上部の空間へ出てくる。この
空間では、上面、側面が電極４により約−１００Ｖの電
位に保たれ、２次電子検出器５のメッシュ５ａが約＋２
０ｋＶの電位に保たれている。従って、仮想面１４から
の２次電子は効率的に２次電子検出器５に入射する。こ
の場合、電極４の電位（−１００Ｖ）が試料１５の電位
（グランド電位）より低いため、２次電子は効率良く２
次電子検出器５に捕らえられる。

【００２０】図２は、仮想面１４から２次電子検出器５
に至る２次電子の軌道の一例を示し、横軸は光軸ＡＸか
らの距離Ｒ（ｍｍ）、縦軸は仮想面１４からの高さＨを
表している。この図２は、光軸ＡＸから１ｍｍずれた位
置から光軸ＡＸに対する角度が±８°の方向に発散する
２次電子の軌道を計算して表したものであるが、全ての
２次電子は軌道１８に示すように、−１００Ｖの電圧が
印加された電極４により上面及び左側面に進めず、仮想
面１４からその中心部がＬ（本例では、Ｌは２〜５ｃ
ｍ）だけ高い位置に配置された２次電子検出器５に入射
している。

【００２１】以上のように、本例の荷電粒子線装置によ
れば、試料１５から発生した２次電子は、殆ど１００％
の割合で２次電子検出器５に入るため、ＳＮ比の良い試
料１５の観察像が得られる。更に、走査用の偏向器７
は、２次電子検出器５より下に配置されているので、非
点補正を走査に応じてダイナミックに行う必要はない。
また、２次電子検出器５が配置された空間は強い偏向電
界が発生しているが、視野走査とは無関係に同じ場所を
通るため、視野歪みの発生や、視野によって非点補正を
変える必要はない。

【００２２】なお、本例ではライナチューブ６に１０ｋ
Ｖの電圧を印加し、試料１５をグランド電位にしたが、
ライナチューブ６を接地（アース）してグランド電位に
保ち、試料１５にマイナスの電位を持たせてもよい。そ
の場合、電極４の電位は試料１５の電位より更に低い電
位にするのが好ましい。更に、本発明は上述実施例に限
定されず、例えば線幅測定機やマイクロアナライザ等に
適用することで種々の構成を取り得る。

【００２３】

【発明の効果】本発明の荷電粒子線装置によれば、試料
から発散する２次電子は対物レンズの磁界により電極の
上部に進んだ後、２次電子検出器に捕捉される。従っ
て、電極で１次荷電粒子の軸上色収差を改善した上で、
２次電子の捕捉効率が良く、ＳＮ比の良い検出像が得ら
れる利点がある。

【００２４】また、対物レンズの上極と２次電子検出器
との間に、荷電粒子線を試料上で走査する走査用偏向コ
イルを設ける場合には、電子線は視野走査とは無関係に
同じ場所を通るため、視野歪みの発生がなく、非点補正
を走査に応じてダイナミックに行う必要がない。また、
２次電子検出器の２次電子入射口の周囲の少なくとも一
部を試料の電位以下の電位が印加された電極で覆う場合
には、試料からの２次電子が２次電子検出器に効率良く
入射し、検出信号のＳＮ比が向上する。

【００２５】更に、電極を含んで形成される静電レンズ
による収束作用で荷電粒子線が光源像を形成しないよう
にする場合には、１次荷電粒子の軸上色収差係数が小さ
く抑えられ、高分解能で収束できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による荷電粒子線装置の一実施例として
の走査型電子顕微鏡の概略構成を示す断面図である。

【図２】図１の仮想面１４から２次電子検出器５に至る
２次電子の軌道の一例を示す図である。

【符号の説明】

１電子銃２コンデンサレンズ３アノード電極４電極５２次電子検出器６ライナチューブ７走査用の偏向器８対物レンズ９コア９ａ対物レンズ８の上極９ｂ対物レンズ８の下極１０対物レンズ８のコイル１１試料テーブル１３１次電子１４仮想面１５試料

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子線を収束させるための対物レン
ズの対向する２つの磁極間に前記試料を配置し、前記対
物レンズの上極側に配置された電極と前記試料との間に
電界を形成し、前記試料上に前記荷電粒子線を収束させ
る荷電粒子線装置において、前記対物レンズの上極の上部に、前記荷電粒子線の照射
により前記試料から発生する２次電子を検出する２次電
子検出器を設けたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】前記対物レンズの上極と前記２次電子検
出器との間に、前記荷電粒子線を前記試料上で走査する
走査用偏向コイルを設けたことを特徴とする請求項１記
載の荷電粒子線装置。
【請求項３】前記２次電子検出器の２次電子入射口の
周囲の少なくとも一部を前記試料の電位以下の電位が印
加された補助電極で覆うことを特徴とする請求項１又は
２記載の荷電粒子線装置。
【請求項４】前記補助電極を含んで形成される静電レ
ンズによる収束作用で前記荷電粒子線が光源像を形成し
ないことを特徴とする請求項３記載の荷電粒子線装置。