JPH10199459A - 電子線装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウェーハを低加速電圧で高分解能観察
すること、特にウェーハの大角度傾斜時 高分解能観察
すること。 【解決手段】 単極磁界型レンズ４と静電界浸レンズ３
から構成される複合レンズであり、静電界浸レンズ３の
一方の電極Ｕの端部は単極頂面付近から試料との間に位
置し、もう一方の電極Ｂは電極Ｕと試料との間に位置す
る。電極Ｂと試料には同電位を印加することが可能であ
り、試料傾斜しても非点・軸不良が生じない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、低加速電圧におい
て高分解能観察可能な電子線装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、特に半導体ＳＥＭ観察において、
１ｋＶ前後の低加速電圧で高分解能観察する要望が高
い。高分解能観察するために対物レンズの収差を小さく
する方法として、単極磁界型対物レンズを用いる方法が
ある。特にウェーハを大角度に傾斜して高分解能観察す
る為、特開平３−１４３２に示されている様に（図
２）、単極部をコニカル形状にし、周状磁極部を単極頂
面から後退させた単極磁界型対物レンズを用いる方法が
ある。このレンズで単極頂面と試料との距離（：ＷＤ）
を小さくすれば、低加速電圧において分解能に支配的な
色収差係数Ｃｃを小さくすることが可能であるが、レン
ズ励磁電流や像歪みの増大という問題を生じる。特にウ
ェーハを大角度に傾斜する場合には、ＷＤが必然的に大
きくなるので像歪みは生じないが、小さいＣｃを得るこ
とが難しい。実際、ウェーハを６０度傾斜可能なＷＤ１
５ｍｍ程度では、Ｃｃの値は１０ｍｍ程度であり、加速
電圧１ｋＶでは、１０ｎｍ程度の分解能しか得られな
い。

【０００３】低加速電圧で対物レンズの収差を小さくす
る他の方法として、特公平６−２４１０６に示されてい
る様に（図３）、『ほぼ回転対称の磁場を発生する磁気
レンズ（ＭＬ）とほぼ回転対称の電場を発生する静電界
浸レンズから成り、静電界浸レンズは異なる電位におか
れる２つの電極（ＲＥ、ＵＰ）を備えた静電磁気複合レ
ンズにおいて、前記両電極は磁気レンズ（ＭＬ）の内部
にその対称軸（ＯＡ）に対して対称的に設けられ、磁気
レンズ（ＭＬ）の１つ磁極片（ＵＰ）が静電界浸レンズ
の１つの電極を形成していることを特徴とする粒子線装
置の静電磁気複合レンズ』を使う方法がある。しかし、
色収差係数Ｃｃについて見ると、電極ＲＥに電位を加え
ない場合の１／５以下のＣｃに低減するには、加速電圧
１ｋＶ前後において電極ＲＥに１０ｋＶ以上の電位を加
える必要があり、放電を生じる恐れがある。特にウェー
ハを６０度程度の大角度に傾斜観察する為、下部磁極片
ＵＰと試料との距離：ＷＤをできるだけ小さくしかつ磁
極片ＵＰをコニカル形状にした場合、電極ＲＥと磁極片
ＵＰの距離が接近し放電問題がより深刻となる。実際、
６０度のコニカル形状のＵＰを有する該レンズに於い
て、放電を生じさせずに、２ｍｍ程度の小さいＣｃを得
ることは極めて困難である。

【０００４】また、特開平８−１８５８２３で示されて
いる様に（図４）、前期２つの方法を併用した方法があ
る。この例では電極１０ａと試料７により静電界浸レン
ズを形成する。試料が水平時には、電極１０ａに電位を
加え、試料の傾斜時には、電極１０ａの電位を小さくす
るか遮断することにより、非対称な電界による軸不良、
非点の増大を防ぐ方法がある。しかし、試料の大角度傾
斜時には、減速電界が形成されないため良い分解能が得
られない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、１ｋＶ前後
の低加速電圧ＳＥＭ観察において、より高分解能化を図
ること、特にウェーハを大角度に傾斜して、ウェーハ表
面の高分解能ＳＥＭ観察することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

１）電子線源と試料の間に単磁極頂面が位置する単極磁
界型レンズと、静電界浸レンズからなる複合レンズであ
り、静電界浸レンズの上部電極Ｕは単極頂面を形成する
ヨーク内部に設置され、その端部は単極頂面付近から試
料との間に位置し、もう一方の下部電極Ｂは電極Ｕと試
料との間に位置する様にした電磁界複合対物レンズを設
けたことを特徴とする電子線装置 ２）電磁界複合レンズを構成する単極磁界型レンズの単
極部がコニカル状であり、周状磁極端面が単極端面より
電子線源側に配置されていることを特徴とする請求項１
記載の電子線装置 ３）試料を傾斜しない場合、試料電位と該下部電極Ｂの
電位が異なっており、試料を傾斜する場合には、該試料
と該電極Ｂとが同電位であることを特徴とする請求項２
記載の電子線装置 （作用）低加速電圧１ｋＶで加速された電子線は、静電
界浸レンズの一方の電極電位１０ｋＶによりさらに加速
され、単極磁界型レンズの磁極頂面付近に極大値を持つ
磁界により集束され、界浸レンズのもう一方のアース電
位とで形成される減速電界により、再び１ｋＶに減速・
集束され試料に照射される。電子プローブの照射により
生じた二次電子は界浸レンズの上方に設けられた二次電
子検出器により検出され画像を形成する（図１参照）。

【０００７】単極磁界型レンズ（図２）の収差係数の一
例を図５に示す。６０度程度の大角度試料傾斜が比較的
容易なＷＤが１５ｍｍに於いてＣｃの値は１０ｍｍ程度
であり、試料がレンズの外部に設置される通常の磁界型
レンズの色収差係数は同じＷＤに於いて２５ｍｍ程度で
あるので、単極磁界型レンズのＣｃは通常の磁界型レン
ズの１／２．５程度に低減される。さらに、単極磁界型
レンズ頂面と試料との間に、上記値の電位を有する界浸
レンズを形成することにより（図１）、その減速電場に
より色収差係数Ｃｃはさらに１／５程度に低減され、単
極頂面と試料との距離：ＷＤ１５ｍｍにおいて、Ｃｃ＝
２ｍｍ程度の値（単極磁界型レンズのみでＷＤ３ｍｍに
於ける値）が得られる。従って試料の大角度傾斜が可能
な比較的大きなＷＤにおいても高分解能観察が可能とな
る。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例である。
電子銃より出た一次電子線１は例えば１ｋＶで加速さ
れ、軸対称二次電子検出器２に設けられた孔を通過後、
静電界浸レンズの上側電極Ｕ３ａの８ｋＶの電位により
さらに加速され、単極磁界型レンズ４の頂面４ａ付近に
最大値を有し頂面４ａより下方向に形成された静磁界に
より集束され、静電界浸レンズの下側電極Ｂ３ｂのアー
ス電位により、再び１ｋＶに減速されて後、電子線プロ
ーブとなってウェーハ５に照射される。電子線プローブ
は、図１には示していない走査偏向コイルにより、ウェ
ーハ面上を走査され、発生した二次電子線６は単極レン
ズ磁界により集束、巻き上げられ、静電界浸レンズ３の
電界により加速され、二次電子検出器２により検出され
る。

【０００９】単極レンズの強磁界と減速電界により、比
較的大きなＷＤにおいて、２ｍｍ程度の色収差係数Ｃｃ
をえることが出来、ウェーハを大角度に傾斜した状態
で、加速電圧１ｋＶにて分解能４ｎｍ程度の高分解能観
察が可能である。二次電子検出器２は、軸対称シンチレ
ーターあるいはマイクロチャンネルプレートにより構成
され、その電位は、上側電極Ｕと同じに設定されてい
る。

【００１０】電極Ｕの電位は、加速電圧に比例して変更
しても良いが、放電の問題から、１０ｋＶ程度に固定さ
れている。電極Ｂの電位はウェーハの電位と同じアース
電位であるので、ウェーハを大角度に傾斜しても、非対
称電界が生じないため非点収差は増大しない。従って試
料傾斜に連動して電極Ｕの電位を遮断する必要はなく、
試料傾斜時にも高分解能が保たれる。

【００１１】図３の例では、静電界浸レンズの下側電極
ＵＰは磁極片を構成しており、磁気飽和の防止の為適切
な厚さが必要である。従って、ウェーハを６０度程度に
大角度に傾斜観察するためＵＰをコニカル状にした場
合、電極ＵＰと電極ＲＥの距離が小さくなり放電を生じ
やすい。本発明では、電極Ｂの厚さを極めて小さくする
ことができるため、電極Ｕと電極Ｂの距離を比較的大き
くとることができ高電圧の印加が容易になる。

【００１２】また図１の構成において、ウェーハ５に負
の電位を印加しても良い。ウェーハ５に負電位を印加す
ると、さらに減速電界の効果が増し、より収差係数を低
減出来る。放電の問題から電極Ｕの印加電位に制限があ
る場合効果的である。また検出される二次電子が増加す
る効果もある。この場合ウェーハを傾斜すると、傾斜に
より生ずる非対称な電界により非点収差が増大する為、
試料傾斜に連動してウェーハの電位を遮断しアース電位
とする。あるいは、ウェーハ５に負電位を印加した状態
で、電極Ｂに負電位を印加し、ウェーハ５と同電位にす
る。その結果図４で示した例のような非対称な電位分布
は生ぜず、非点収差の増大を避けることができる。

【００１３】

【発明の効果】以上述べた様に、加速電圧１ｋＶにて、
従来ウェーハを大角度に傾斜できない小さいＷＤ（：３
ｍｍ程度）で得られる４ｎｍ以下の分解能が、ウェーハ
の大角度傾斜が可能な比較的大きなＷＤに於いて得られ
る効果がある。

【００１４】また図１では、単極部がコニカル状であ
り、周状磁極面が単極面より電子源側に配置されている
単極磁界型レンズと静電界浸レンズとの複合レンズの例
を示したが、周状磁極面が単極面とほぼ同じ面に位置す
る通常の単極磁界型レンズと静電界浸レンズの複合レン
ズでも良い。この場合比較的大きなＷＤで小さな収差係
数が得られるため、歪み収差の発生をおさえ高分解能像
がえられる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の一実施例の説明図である。

【図２】従来例の説明図である。

【図３】従来例の説明図である。

【図４】従来例の説明図である。

【図５】従来例の収差係数値の例を示す図である。

【符号の説明】

１ 一次電子線 ２ 二次電子検出器 ３ 静電界浸レンズ ４ 単極磁界型レンズ ５ ウェーハ ６ 二次電子線

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子線源と試料の間に単磁極頂面が位置
   する単極磁界型レンズと、静電界浸レンズからなる複合
   レンズであり、静電界浸レンズの上部電極Ｕは単極頂面
   を形成するヨーク内部に設置され、その一方の端部は単
   極頂面付近から試料との間に位置し、下部電極Ｂは電極
   Ｕと試料との間に位置する様にした電磁界複合対物レン
   ズを設けたことを特徴とする電子線装置
2. 【請求項２】 電磁界複合レンズを構成する単極磁界型
   レンズの単極部がコニカル状であり、周状磁極端面が単
   極面より電子線源側に配置されていることを特徴とする
   請求項１記載の電子線装置
3. 【請求項３】 試料を傾斜しない場合、試料電位と該下
   部電極Ｂの電位が異なっており、試料を傾斜する場合に
   は、該試料と該電極Ｂとの電位差を小さくするか、ある
   いは同電位とすることを特徴とする請求項２記載の電子
   線装置