JPS63160144A - 粒子線機器の検出器対物レンズ - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野コ この発明は粒子線機器の検出器対物レンズに関する。

［従来の技術］ 最近の高集積度の超小形電子部品及び光電子部品の電気
特性は、主としてそのモジュール構成要素の幾何学的構
造寸法に影響される。それゆえに微細構造（例えば導体
路、変換器の指）の幾何学的寸法が最近のりソグラフィ
法を使用する場合マイクロメートル範囲及びサブマイク
ロメートル範囲で変動するときには特に、寸法公差の維
持が一定の物理電気的特性を備えた高性能の部品の製造
に対して不可欠な前提である。

それゆえに高集積度の超小形電子部品及び光電子部品の
開発と製造のあらゆる分野で、作られた構造のプロセス
に近い検査と測定を可能にする高分解能の結像系の需要
が高まっている。走査形電子顕微鏡がこの目的のために
特に適していることが判明しており、この顕微鏡により
マイクロメートル構造及びサブマイクロメートル構造を
目視で判定し、欠陥と基準パターンからの偏差とを検出
し、例えば長さ、幅、高さ又は傾斜角度のような図形上
のデータを把握し評価することができる。

その際走査形電子顕微鏡による部品のあらゆる検査に際
して、例えば汚染又は放射線損傷によって発生するおそ
れのある基板での変化が避けられることを保証しなけら
ばならない。

従来の走査形電子顕微鏡は約２０ｋＶを超える高い加速
電圧のときだけ数ナノメートルの現在要求される分解能
を達成するが、そこではレジストパターン及び回路が高
エネルギーの電子により損なわれ、また検査される試料
の非導電性又は低導電性の表面領域が帯電される。走査
形電子顕微鏡検査で分解能と結像品質とを損なう帯電を
避けるために通常行う試料の金属化は、超小形電子部品
及び光電子部品の検査に対しては適してはいない。なぜ
ならばかぶせられた金属層は部品の機能を妨げ、部品は
次のプロセス技術による処理に対して許容できない変化
を生じるからである。

［発明が解決しようとする問題点］ この発明は、粒子線機器特に走査形電子顕微鏡の分解能
と検出器効率とを加速電圧が低いときにあきらかに向上
できるような検出器対物レンズを提供することを目的と
する。

［問題点を解決するための手段］ この目的はこの発明に基づき、ほぼ回転対称な磁界を発
生する磁界形レンズと、ほぼ回転対称な電界を発生する
電界層浸漬レンズと、−成粒子線により試料上で放出さ
れた二次粒子の検出のために、磁界形レンズの磁極片ギ
ャップの上方にその対称軸線に対し対称に配置された検
出器とを備え、電界層浸漬レンズが異なる電位に置かれ
た少なくとも二つの電極を有し、かつ磁界形レンズの内
部にその対称軸線に対し対称に配置されていることを特
徴とする検出器対物レンズにより達成される。

［発明の効果］ この発明により得られる長所は、放射線流が強くかつ加
速電圧が低い場合でも、小さい放射線断面を有する粒子
ゾンデが得られるということにある。更に非導電性又は
低導電性の試料の高分解能でかつほぼ帯電しない検査が
保証される。

この発明の有利な実施態様は特許請求の範囲第２項以下
に記載されている。

［実施例］ 次にこの発明に基づく検出器対物レンズの二つの実施例
を示す図面により、この発明の詳細な説明する。

第１図に示した検出器対物レンズは走査形電子顕微鏡の
電子光学的柱状体の構成要素を形成し、大電流源で作ら
れた一次電子ＰＥがこの検出器対物レンズを用いて試料
ＰＲ特に超小形電子部品又は光電子部品」−に集束され
る。このレンズは主として非対称の磁界形レンズＭＬと
、ほぼ回転対称な電界を発生する電界層浸漬レンズＫＥ
、ＵＰ　　−と、−次電子ＰＥにより試料ＰＲ上で放出
された二次電子ＳＥの検出のために、磁極片キャップＰ
Ｓの上方に特にレンズブロックのすぐ上方に配置された
検出器ＤＴとから成る。対物レンズのできるだけ小さい
焦点距離従って小さい色収差定数ＣＦ　　（ＣＦ　＝ｆ
　、　ｆ＝結像系の焦点圧ＩＩＩＩ）を保証するために
、励磁コイルＳＰにより発生される磁束が上側及び下側
の磁極片ＯＦ又はＵＰを用いて系の対称軸線ＯＡの周り
の小さい空間範囲に集中され、その際この軸線を中心と
してほぼ回転対称な磁界が磁極片キャップＰＳの中で最
高の強さに達する。図示の実施例において望ましくは磁
極片ギャップＰＳの範囲に円筒形の付加部を備え、試料
ＰＲの方向に細くなる円錐台の形に形成されている電界
層浸漬レンズの電極ＫＥは、磁界形レンズＭＬの上側の
磁極片ＯＦと同様に円錐台形の孔の中にその対称軸線Ｏ
Ａに対し同軸に絶縁して配置されている。その際特に大
地電位ｔＪｕｐに置かれ、汚染から守るために磁性又は
非磁性材料から成る第１図には示されていない放射線案
内管により内張りできる磁界形レンズＭＬの下側の磁極
片ＵＰは、電界形浸漬レンズの下側の電極を形成する。

検出器対物レンズの内部にほぼ回転対称な減速電界を形
成するために、浸漬Ｉ／ンズの−Ｅ側の電極ＫＥは下側
の磁極片ＵＰに関して例えば５ないし１０ｋＶの正電位
ＵにＦに置かれる。

電界形浸漬１／ンズと磁界形レンズＭＬとから成るこの
電子光学ユニットの結像特性は、主として電極電位ＵＫ
〔、ＵＵＰと磁極片ギャップＰＳの中の磁界強さとによ
り決定される。それで１−側の電極ＫＥを円錐台形に形
成する必要は全く無い。

第１図に示された検出器対物レンズと異なって、上側の
磁極片ＯＰの円筒形の孔の中に配置されている中空円筒
形の電極を用いることもできる。

集束磁界に重畳された浸漬レンズの減速電界に基づいて
、この発明に基づく検出器対物レンズは従来の運転方法
（ＵＫＥ−０）の場合の磁界形ｌ／ンズＭＬより明らか
に小さい収差（色収差及び球面収差）を示す。検出器対
物レンズの中の電子をその一次エネルギー（検出器対物
レンズのすぐ上方の放射線路の中の電子の動エネルギー
）の１０分の」に減速するとき、主として浸漬レンズの
電極（円錐台形の電極ＫＥ及び下側の磁極片ＵＰ）の間
に形成された電位差ＵＫＥ−ＵＵＰにより決定される合
成系の色収差定数及び球面収差定数が、磁界形弔−レン
ズのこれらの定数と比べて約１０分の１に減少される。

更にこの発明に基づく検出器対物レンズは、電界形レン
ズ及び磁界形レンズの優れた簡単な心合わせ特性のため
に、その電子光学的特性を実地において非常に良好に実
現できるという長所を有する。

試料ＰＲ上の符号を伺けられていない測定点で一次電子
ＰＥにより放出された二次電子ＳＥを検出するための検
出器ＤＴは、図示の実施例においてレンズブロックのす
ぐ−Ｌ方に対称軸ｍＯＡに対し対称に配置されている。

検出器は特にリング形の電子感応性の部分ＥＳと、検出
器ＤＴに印加された例えば＋１０ｋＶの高電圧から一次
の電子放射線ＰＥを遮蔽するために、前記部分の中心孔
の中に絶縁してはめ込まれた中空円筒ＲＥとから成る。

対称軸線ＯＡに対して小さい角度で走る二次電子ＳＥを
脇にそらせるために、浸漬レンズの上側の電極ＫＥより
いくらか低い正電位ＵＲＥ　（ＵＫＥ−１ｋＶ≦ＩＪＨ
≦Ｕ＋ｕ）を与えることができるこの中空円筒ＲＥは、
レンズブロックの内部にまで達している。検出器として
は特に例えばホフカー（Ｗ、　Ｋ、　Ｈｏｆｋｅｒ）の
発表論文、「フィリップス社技報」、第１２号、１９６
６年、第３２３ページないし第３３７ページ、から知ら
れた半導体検出器を使用すると有利であり、その微粒子
感応性の領域ＥＳは場合によっては部分に分けて配列さ
れ、金属−半導体接合又はｐｎ接合として構成されてい
る。自明のようにシンチレータと光ガイドとの組み合わ
せ又はマイクロチャネルプレートを用いることもできる
。第１図と異なってレンズブロックの内部にも配置する
ことができるリング形の二次電子検出器は、他の検出器
構成に比べて、上側の電極ＫＥの正電位ＵＫＥにより試
料ＰＲから引き出され磁界形レンズＭ　Ｌの磁界の中で
集束される二次電子ＲＥのほとんどすべてを捕えるとい
う長所を有する。二次電子ＳＥの壁接触を避けるために
、−Ｌ側の磁極片ＯＰの中の円錐形又は円筒形の孔の寸
法が検出器対物レンズの中に作られ発散する二次電子束
の最大直径より大きいように注意すべきである。

円錐形の磁界形レンズＭＬを備えた検出器対物レンズが
第２図に示され、この図の中で第１図と同じ部品には同
じ符号が付けられている。小さい作業間隔（試料と下側
の磁極片板との間の間隔）の場合に傾けられた状態でも
大面積の試料を結像し検査しようとするとき、円錐形の
対物レンズは走査形電子顕微鏡の中で有利に用いられる
。とりわけその磁極片形状に基づいて円錐形の磁界形レ
ンズは大きい磁極片ギャップＰＳ従って比較的大きい焦
点距離を有し、このことは再び比較的太きい色収差及び
球面収差を引き起こす。正電位Ｕに［（ＵＫＥ＝＋５な
いし＋１０ｋＶ）に置カレタ円筒形の又は第２図に示す
ような円錐台形の電極ＫＥを上側の磁極片ＯＦの中に配
置することにより、円錐形の磁界形レンズＭＬと電界形
浸漬レンズとから成る電子光学ユニットの結像特性は、
円錐形の単一レンズ（ＵＫＥ＝ＯｋＶ）に比べて明らか
に改善される。光学特性のこの改善は、色収差定数及び
球面収差定数の頭記の低減と円錐形の磁界形レンズＭＬ
の主平面の試料ＰＲ力方向の移動とにより達成され、こ
のことは移動と同時に現われる焦点距離の短縮に基づい
て再び収差に有利に作用する（色収差定数ＣＦ　＝焦点
距離）。この実施例でも磁界形レンズＭＬの望ましくは
大地電位ＵυＰに置かれた下側の磁極片ＵＰは電界形浸
漬レンズの電極を形成する。

試料の上の放射線直径ｄに比例する走査形電子ｍ微鏡の
分解能は、加速電圧が低い場合に主として、集束を妨げ
る電子のクーロン反発力（ベルシュ効果）と結像するレ
ンズの軸方向の色収差とにより決定され、色収差、は式
２）に基づいて色収差定数ＣＦ　と共に増加し、また電
子のエネルギー分布の幅ｅΔＵが一定の場合には、−次
エネルギーｅＵの減少と共に増加する。その際分解能を
決定する試料上のゾンデ直径に対しては１周知の式 ％式％） が成立し、その際ｃｔｏは放射線源と試料との間の電子
のクーロン反発力（横のベルシュ効果）だけ拡大された
幾何光学的ゾンデ直径を示し、ｄＦは色収差により生じ
た色収差小円板の直径を示し、後者は式 ％式％） により決定され、放射線開口αとレンズの色収差定数Ｃ
Ｆと一次エネルギーｅＵ（Ｕ＝加速電圧）と電子のエネ
ルギー分布の幅ｅΔＵとに関係する。従って走査形電子
顕微鏡の分解能の改善は、電子量相互作用の不利な影響
の低減（エネルギー＠ｅΔＵに影響するエネルギーのベ
ルシュ効果とゾンデ直径に影響する横のベルシュ効果と
の低減）と、用いられたレンズの色収差定・数ｃＦの低
減とだけにより達成することができる。

それゆえにこの発明に基づく検出器対物レンズは走査形
粒子顕微鏡、特に加速電圧が低い場合にベルシュ効果が
分解能を制限し従来の対物レンズでは収差が過大となる
走査形電子顕微鏡の中で有利に使用される。横のベルシ
ュ効果のゾンデ直径ｄへの影響は動エネルギーｅＵの増
加と共に減少し、しかし特に放射線源の中の一次電子の
エネルギー分布の幅ｅΔＵはエネルギーのベルシュ効果
のために明らかに増加するので、電子は第１の放射線ク
ロスオーバを低いエネルギー（例えば２　ｋ　ｅ　Ｖ）
で通過し、続いて電子は高いエネルギー（例えば１０ｋ
ｅＶ）に加速され、試料への到達直前に初めて所望の低
いエネルギー（例えば１ｋｅＶ）に減速されるのが有利
である。−次電子の減速と集束とのためにこの発明に基
づく検出器対物レンズを使用するのが有利であり、この
レンズは走査形電子顕微鏡の電子光学的柱状体の中の従
来の対物レンズの代りとなり、陰８１ｉ電位を一１ｋＶ
、電子の加速を１０ｋｅＶ、また陽極電位上での所望の
最終エネルギーを１ｋｅＶと仮定したとき、レンズの上
側の電極ＫＥは９ｋＶの電位に置かれる。

この発明は自明のように第１図及び第２図に示した実施
例には限定されない。例えば検出器対物レンズに対して
対称な磁界形レンズを使用することも可能であり、その
際検出器を完全にレンズの内部に配置することもできる
。

自明のように電界形浸漬レンズの電極ＵＰ。

ＫＥに前記の電位ＵＫＥ又はＵυＰとは異なる電位を与
えることもできる。その際磁界形レンズの集束磁界に一
次電子を減速する減速電界が重畳されているときだけ、
複合系の結像特性の改善が達成されるということに特に
注意すべきである。例えば同時に浸漬レンズの上側の電
極ＫＥの電位Ｕ　Ｘ　Ｆ、を相応に適合させるときに、
下側の磁極片ＵＰと試料ＰＲとを一緒にゼロでない電位
に煮〈ことも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はこの発明に基づく検出器対物レンズ
のそれぞれ異なる実施例の縦断面図である。 ＤＴ・・・検出器、　　ＥＳ−・・範囲、ＫＥ、ＵＰ・
中・電極、　ＭＬ・＠ｅ磁界形レンズ、　ＯＡ・・や対
称軸線、　ｏｐ　、ＵＰ−嗜・磁極片、　ＰＥ・・・−
成粒子線、　ＰＲ・・・試料、　　　ＰＳ−φ拳磁極片
キャップ、　　ＲＥ・・・遮蔽体、　　ＳＥ・・・二次
粒子、　ＵＫＥ　。 ＵＲＥ　、　ＵＩＩＰ・・拳電位。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ほぼ回転対称な磁界を発生する磁界形レンズ（ＭＬ
   ）と、ほぼ回転対称な電界を発生する電界形浸漬レンズ
   と、一次粒子線（ＰＥ）により試料（ＰＲ）上で放出さ
   れた二次粒 子（ＳＥ）の検出のために、磁界形レンズ （ＭＬ）の磁極片ギャップ（ＰＳ）の上方にその対称軸
   線（ＯＡ）に対し対称に配置された検出器（ＤＴ）とを
   備え、電界形浸漬レンズが異なる電位（Ｕ＿Ｋ＿Ｅ、Ｕ
   ＿Ｕ＿Ｐ）に置かれた少なくとも二つの電極（ＫＥ、Ｕ
   Ｐ）を有し、かつ磁界形レンズ（ＭＬ）の内部にその対
   称軸線（ＯＡ）に対し対称に配置されていることを特徴
   とする粒子線機器の検出器対物レンズ。 ２）浸漬レンズの第１の電極（ＫＥ）が磁界形レンズ（
   ＭＬ）の上側の磁極片（ＯＰ）の中に配置されているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレンズ。 ３）磁界形レンズ（ＭＬ）の下側の磁極片 （ＵＰ）が浸漬レンズの第２の電極を形成することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項 又は第２項記載のレンズ。 ４）磁界形レンズ（ＭＬ）が試料（ＰＲ）の方向に細く
   なる円錐台形の孔を上側の磁極片 （ＯＰ）の中に有することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項ないし第３項のいずれか １項に記載のレンズ。 ５）磁界形レンズ（ＭＬ）が円筒形の孔を上側の磁極片
   （ＯＰ）の中に有することを特徴とする特許請求の範囲
   第１項ないし第３項のいずれか１項に記載のレンズ。 ６）浸漬レンズの第１の電極（ＫＥ）が中空円筒として
   形成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   ないし第５項のいずれか１項に記載のレンズ。 ７）浸漬レンズの第１の電極（ＫＥ）が中空円筒形の付
   加部を備えた円錐台として形成さ れていることを特徴とする特許請求の範囲 第１項ないし第５項のいずれか１項に記載のレンズ。 ８）検出器（ＤＴ）が磁界形レンズ（ＭＬ）のレンズブ
   ロックの内部に配置されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項ないし 第７項のいずれか１項に記載のレンズ。 ９）検出器（ＤＴ）が磁界形レンズ（ＭＬ）のレンズブ
   ロックのすぐ上方に配置されていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項ないし第７項のいずれか１項に記載
   のレンズ。 １０）磁界形レンズ（ＭＬ）の対称軸線 （ＯＡ）に対し同軸に配置された中空円筒形の遮蔽体（
   ＲＥ）を有するリング形の検出器（ＤＴ）を備えること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第９項のいず
   れか１項に記載のレンズ。 １１）遮蔽体（ＲＥ）が浸漬レンズの第１の電極（ＫＥ
   ）の電位（Ｕ＿Ｋ＿Ｅ）の数値以下の電位（Ｕ＿Ｒ＿Ｅ
   ）に置かれていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   ０項記載のレンズ。 １２）検出器（ＤＴ）としてシンチレータと光ガイドと
   の組み合わせを備えることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項ないし第１１項のいずれか１項に記載のレンズ。 １３）半導体検出器（ＤＴ）を備えることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項ないし 第１１項のいずれか１項に記載のレンズ。 １４）表面障壁層検出器（ＤＴ）を備えることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項ないし 第１１項のいずれか１項に記載のレンズ。 １５）検出器（ＤＴ）が複数の部分から成る粒子感応性
   の範囲（ＥＳ）を有することを特徴とする特許請求の範
   囲第１項ないし第１４項のいずれか１項に記載のレンズ
   。 １６）対称な磁界形レンズ（ＭＬ）を備えることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項ないし第１５項のいずれか
   １項に記載のレンズ。 １７）非対称な磁界形レンズ（ＭＬ）を備えることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第１５項のいずれ
   か１項に記載のレンズ。 １８）円錐形の磁界形レンズ（ＭＬ）を備えることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第１５項のいずれ
   か１項に記載のレンズ。 １９）浸漬レンズの第１の電極（ＫＥ）が正電位（Ｕ＿
   Ｋ＿Ｅ）に置かれ、下側の磁極片（ＵＰ）が大地電位（
   Ｕ＿Ｕ＿Ｐ）に置かれることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項ないし第１８項のいずれか１項に記載のレンズ
   。 ２０）第１の電極（ＫＥ）の電位（Ｕ＿Ｋ＿Ｅ）が数値
   の点で浸漬レンズの第２の電極（ＵＰ）の電位（Ｕ＿Ｕ
   ＿Ｐ）より大きいことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項ないし第１７項のいずれか１項に記載のレンズ。