JP2001319612A

JP2001319612A - 直接写像型電子顕微鏡

Info

Publication number: JP2001319612A
Application number: JP2000136527A
Authority: JP
Inventors: Katsushige Tsuno; 野勝重津; Nobuo Iida; 田信雄飯
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2000-05-10
Filing date: 2000-05-10
Publication date: 2001-11-16

Abstract

(57)【要約】【課題】収差の小さい直接写像型電子顕微鏡を提供す
る。【解決手段】電子銃２１、コンデンサレンズ２２、ビ
ームセパレータ２３、磁界型対物レンズ２４、試料２６
を載置するステージ２５、中間レンズ２７、エネルギア
ナライザ２８、投影レンズ２９、像検出器３０を備え、
磁界型対物レンズ２４のレンズ磁場に静電レンズ場を重
畳させるように成した。対物レンズ２４は、先端部に上
側磁極３２が繋がっている上側ヨーク３１，先端部に下
側磁極３４が繋がっている下側ヨーク３３、絶縁材料製
の円筒体３０、コイル３６、円板状のプレート３８から
成る。試料２６をアースに落としておき、対物レンズ２
４の上側ヨーク３５にプラス９ＫＶの正電圧を印加して
おく。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、試料に高加速電圧で電
子を照射するように成した直接写像型電子顕微鏡に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】シリコンウエハの如き半導体ウエハ等の
上に形成されたパターンの欠陥や異物等を検査する場
合、ウエハ上を光で走査することによりパターンの画像
を取得し、これと、別の視野で取得した同種のパターン
の画像若しくは予め用意していた基準パターンの画像と
比較することによりパターンの欠陥等の有無等を検査し
ている。

【０００３】しかし、この様に光を使用した光学顕微鏡
方式の検査装置では、空間分解能が不足しているために
微小な欠陥等については検出出来ない等の問題がある。

【０００４】そこで、近年、走査型電子顕微鏡を用いた
検査装置が開発された。該検査装置は、ウエハ上を電子
ビームで走査することにより検出された二次電子信号等
に基づくパターンの画像を取得し、これと、別の視野で
取得した同種のパターンの画像若しくは予め用意してい
た基準パターンの画像と比較することによりパターンの
欠陥等の有無等を検査するものである。この様な走査型
顕微鏡を用いた検査装置は、説明するまでもなく、電子
を使用していることから空間分解能は前記光学顕微鏡方
式の検査装置より遥かに高い。

【０００５】しかし、この様な走査型顕微鏡を用いた検
査装置においては実用的な検査速度を得るために高速に
パターンの画像を取得する必要があり、且つ、その画像
のＳ／Ｎ比は十分高いものでなければならないので、通
常の走査型電子顕微鏡に比べて１００倍（１０ｎＡ）以
上の大きなビーム電流が用いられている。しかし、電子
ビームを点状に絞り、該点状の電子ビームで試料上を二
次元的に走査しているので、高速化には自ずと限界があ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】最近、電子ビームを使
用するが高速に画像が得られる低加速反射電子顕微鏡
（ＬＥＥＭ：Low Energy Electron reflection Microsc
ope）が開発されている。この様な装置においては、例
えば、図１に示す様に、電子銃１からの一次電子ビーム
は、１０ＫＶ程度で加速され、照射系レンズ２によって
集束され、更にセパレータ３によって大きく偏向され、
電極５，６を通って試料４に向けて垂直に入射する。こ
こで、試料４及び電極５，６には電源７からそれぞれ所
定の電圧が印加されており、これによってエミッション
レンズ８が形成され、このエミッションレンズ８によっ
て一次電子ビームは減速され、１００Ｖより低い加速電
圧で試料４に入射する。尚、照射レンズ系２には試料４
の所望の領域を一次電子ビームで走査するための偏向コ
イルを含むことを可とする。該一次電子ビームの入射に
よって試料４から発生した反射電子は前記エミッション
レンズ８によって加速され、セパレータ３を直進してウ
ィーンフィルタ９に入射し、ここでエネルギーの分離が
行われ、所定のエネルギーを有する反射電子のみが選別
される。該選別された反射電子は該ウィーンフィルタ９
を直進し、その反射電子に基づく像は結像レンズ系１０
により所定の大きさに拡大されてスクリーン１１に結像
され、所定のエネルギーを有する反射電子による像が得
られる。

【０００７】さて、この様な低加速反射電子顕微鏡をパ
ターン検査装置として使用し、シリコンウエハ上に形成
されたパターンの欠陥等を検査した場合、シリコンウエ
ハに入射される電子ビームの加速電圧が１００Ｖより小
さい電圧のために、電子はシリコンウエハの如き被検査
試料の中に深く潜り込むことがないので、被検査試料の
表面近傍（試料表面の数原子層）で反射し弾性散乱した
電子に基づく観察になってしまう。その為、低加速反射
電子顕微鏡を使用したパターン検査装置は、被検査試料
の表面の圧力が高い場合には試料周囲のガスと電子ビー
ムの相互作用により形成された生成物の影響を受けてし
まう。この様な影響を受けないようにするには被検査試
料を超高真空下に置かねばならず、その為に、観察が技
術的に難しいと共に、コストが可成りかかり、更に、観
察する試料が限られてしまう。

【０００８】ごく最近、この様な問題を解決するため
に、高加速電圧（１００Ｖ以上）の電子ビームで試料を
照射し、試料からの反射電子などに基づく画像表示を行
う直接写像型電子顕微鏡が提案されている（特開平１１
−２７３６１０号）。この様な電子顕微鏡では電子が被
検査試料の中に深く潜り込むので、被検査試料を超高真
空に置く必要がなく、その為に、低真空で試料の観察が
出来、観察の為の技術が容易であると共に、安価で、観
察可能な試料が限定されない効果がある。

【０００９】本発明は、この様な直接写像型電子顕微鏡
に関しており、収差の少ない新規な直接写像型電子顕微
鏡を提供することを目的としたものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の直接写像型電子
顕微鏡は、電子ビーム発生手段、該電子ビーム発生手段
からの電子ビームを試料に照射させる磁界型対物レン
ズ、試料の前方に配置され、試料に照射される電子ビー
ム発生手段からの電子ビームと試料から発生される電子
を分離するビームセパレータ、試料から発生し該ビーム
セパレータを通過した電子により試料像を形成するレン
ズ系、該レンズ系によって形成された試料像を検出する
像検出器を備えた直接写像型電子顕微鏡において、前記
磁界型対物レンズのレンズ磁場に静電レンズ場を重畳さ
せるようにしたことを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明は、収差が少ないと同時
に、電子ビームの照射により試料がダメージを受けない
ように試料の手前で電子ビームを減速する様に成した直
接写像型電子顕微鏡を実現したものである。

【００１２】その為に、直接写像型電子顕微鏡の対物レ
ンズに次の様な工夫を施している。

【００１３】例えば、反射電子を直接写像によって観察
する場合、分解能を制限する因子は対物レンズの色収差
である。今、色収差係数をＣｃ、対物レンズを通過する
電子の加速電圧をＥｏ、対物レンズのスリットを通過す
る電子のエネルギー幅をΔＥ、対物レンズの開き角をβ
とすると、色収差で決まる空間分解能ｄｃは、ｄｃ＝Ｃ
ｃ（ΔＥ／Ｅｏ）βの式で表される。

【００１４】今、仮に、加速電圧を１ＫＶ、想定する空
間分解能を３ｎｍ、エネルギー幅を１０Ｖと仮定した場
合、前記式から、開き角が１ミリラジアンの時に色収差
が０．３ｍｍとなる。この様な小さな色収差を実現する
ためには、通常の磁界型対物レンズでは難しい。尚、前
記加速電圧値、空間分解能値、エネルギー幅値、開き角
値は全て対物レンズにおいて通常使用可能な数値であ
る。

【００１５】本発明は、磁界型対物レンズのレンズ磁場
に、静電レンズ場を重畳させる手段を設けることによ
り、色収差を小さくしている。

【００１６】以下、図面を参照して本発明の実施の形態
を詳細に説明する。

【００１７】図２は本発明の直接写像型電子顕微鏡の概
略例を示す。

【００１８】図中２１は電子銃、２２は磁界型コンデン
サレンズである。２３はビームセパレータで、例えば、
電界（Ｅ）と磁界（Ｂ）とを直交して重畳するＥ×Ｂ或
いはウィーンフィルタビームセレクタが用いられてい
る。このウィーンフィルタセパレータは４５°より大き
い偏向角度、図示例では９０°で用いられている。

【００１９】２４は対物レンズ、２５は試料２６を載置
するためのステージ、２７は磁界型の中間レンズであ
る。２８はエネルギアナライザで、例えば、オメガフィ
ルタが用いられている。その場合、オメガフィルタ等の
二次収差の極めて少ないフィルタが用いられており、Ｔ
ＥＭやＳＥＭ並の質の良いエネルギフイルタ像が得られ
るようにしている。２９は投影レンズ、３０は像検出器
で、例えば、ＣＣＤカメラが用いられている。

【００２０】尚、前記磁界型の中間レンズ２７は前記エ
ネルギアナライザ２８の前後の少なくとも一方に配設す
ることも出来る。

【００２１】図３は前記図２で示されている対物レンズ
２４の一概略を示している。図３において、３１は上側
ヨークで、その先端部に上側磁極３２が繋がっている。
３３は下側ヨークで、その先端部に下側磁極３４が繋が
っている。上側ヨーク３１と下側ヨーク３３の間には絶
縁材料製の円筒体３５が配置されており、該円筒体と上
側ヨーク３１の間にコイル３６が配置されている。

【００２２】前記下側磁極３４の先端には中心部に電子
ビーム通過孔３７を有する円板状のプレート３８が取り
付けられており、前記上側ヨーク３１と該プレート３８
の間に電源（図示せず）から電圧が印加されるように成
っている。

【００２３】この様な構成の直接写像型電子顕微鏡にお
いて、例えば、試料２６をアースに落としておき、電子
銃２１の電子放出部に加速電源（図示せず）からマイナ
スの１ＫＶを印加する。

【００２４】そして、対物レンズ２４の上側ヨーク３１
と下側磁極２４に繋がったプレート３８との間に電源
（図示せず）からプラス９ＫＶを印加する（尚、下側磁
極３４に接続されたプレート３８をアースに落としてお
き、上側ヨーク３１にプラス９ＫＶを印加する）。尚、
前記コンデンサレンズ２２，ビームセパレータ２３及び
磁界型中間レンズ２７にアースに対しプラス９ＫＶを印
加し、前記コンデンサレンズ２２，ビームセパレータ２
３及び磁界型中間レンズ２７をアースからプラス９ＫＶ
上に浮かしておく。

【００２５】尚、エネルギアナライザ２８，投影レンズ
２９及び像検出器３は全てアース電位上に置く。

【００２６】この様な状態において、電子銃２１から発
生された電子は１ＫＶで加速されてコンデンサレンズ２
２に向かう。コンデンサレンズ２２に印加されている９
ＫＶにより加速され、１０ＫＶの加速エネルギーが与え
られる。即ち、電子銃２１からの電子はコンデンサレン
ズ２２に入ると１０ＫＶの加速エネルギーが与えられ、
ビームセパレータ２３に入り、ここで試料２６方向に偏
向されて試料２６に向かう。更に、該電子は、対物レン
ズ２４により集束されてアース電位の試料２５に垂直に
照射されるが、この時、該電子は試料２５に達するまで
に１ＫＶ迄減速される。この様に、電子銃２１からの１
ＫＶの加速電圧で加速された電子ビームはコンデンサレ
ンズ２２から対物レンズ２４の間では１０ＫＶの加速エ
ネルギーに保たれ、試料２５には１ＫＶに減速されて照
射される。図５は対物レンズ２４における電子の加速電
圧Ｖｒと色収差係数Ｃｃの関係を示したもので、対物レ
ンズ２４での電子の加速電圧が１０ＫＶの時、色収差は
０．３ｍｍ前後と極めて小さい値となっている。この様
に、対物レンズ２４のレンズ磁場に静電レンズ場を重畳
して形成することにより対物レンズの色収差が極めて小
さくなる。

【００２７】該試料に高加速で照射された電子は試料表
面から或る程度内部に潜り込んだ後反射するので、反射
電子が試料２６の垂直方向に飛び出すようになる。この
際、反射電子は１ＫＶ前後の電圧に対応したエネルギー
を有する。

【００２８】該反射電子は対物レンズ２４において再び
１０ＫＶ前後に加速されてビームセパレータ２３に向か
う。この際、ビームセパレータ２３は１０ＫＶ前後に加
速された反射電子を直進させるように設定されているの
で、反射電子はビームセパレータ２３をそのまま直進し
て中間レンズ２７を介してエネルギーアナライザ２８に
進入する。この時、反射電子は１ＫＶ前後に減速されて
いる。この反射電子のエネルギーは入射電子ビームのエ
ネルギーから０までの広い範囲でブロードに分布してい
る。そこで、このエネルギーアナライザ２８において、
広い範囲でブロードに分布している反射電子のエネルギ
ーの内、或る狭い幅のエネルギーが選別され、そのエネ
ルギー幅に対応した電子に基づく像を得ることが出来
る。そして、この像が投影レンズ２９によってＣＣＤカ
メラの如き像検出器３０に投影されて撮影される。

【００２９】尚、電磁界重畳型対物レンズとしては図３
のものに限定されない。例えば、図４の如き構造のもの
を使用しても良い。図４において、３９はヨークで、そ
の内側の先端部に上側磁極４０が繋がっており、その外
側の先端部に下側磁極４１が繋がっている。そして、ヨ
ーク３９の内側にコイル４２が配置されている。又、ヨ
ーク３９の内側には該ヨークとの間に空間をおいて円筒
状の電極４３が配置されており、この電極に電源（図示
せず）からプラスの９ＫＶが印加されるようになってい
る。

【００３０】又、前記例ではコンデンサレンズ２２，中
間レンズ２７，ビームセパレータ２３及び対物レンズ２
４の上側ヨーク３１或いは円筒状電極４３を、アースに
対してプラス９ＫＶの高電位に配置するように成した
が、収差低減の為には対物レンズ２４内のレンズ磁場に
重畳させて静電レンズ場を発生させることが必要となる
ので、対物レンズ２４の上側ヨーク３１或いは筒状電極
４３にだけにプラスの高電圧を印加するようにし、他の
ものはアース電位に置くようにしても良い。この様にす
れば、電源の製作及びそのコントロールが楽になる。

【００３１】又、前記例では試料２６をアースに落とす
ようにしたが、若干のマイナス高電位に浮かすようにし
ても良く、その様にすれば、対物レンズ２４の電極のア
ースに対する電位が大きくなるので、図５に示す様に、
更に収差の低減が計られる。但し、前記浮かす高電圧値
が大きいと試料ステージ２５全体を高電圧に浮かす為の
装置が大がかりになり、操作が厄介になるので、マイナ
ス１ＫＶ程度に留めた方が良い。

【００３２】又、前記例で試料２６へ電子ビームを照射
した時に１ＫＶ前後のエネルギーを有する反射電子と共
に数Ｖから数１０Ｖのエネルギーを持つ二次電子も発生
する。そこで、ビームセパレータ２３をこの様な二次電
子を直進させるように設定しておけば、前記反射電子は
偏向されてビームセパレータ２３の壁に衝突して吸収さ
れるが、前記二次電子は直進して、二次電子像を得るこ
とが出来る。但し、この様に、二次電子像を得ようとす
る場合、二次電子のエネルギーが失われないように、試
料２６を数１００Ｖ程度のマイナスの高電位に浮かして
おくか、或いは、前記投影レンズ２９を試料２６より高
電位の状態にする。

【００３３】又、前記図３に示す例では下側磁極の先端
に電子ビーム通過孔３７を有するプレート３８を取り付
け、このプレートをアースに接続するようにしたが、該
プレートを設けずに、下側磁極３４をアースに接続し、
上側ヨーク３１にプラスの高電圧を印加するようにして
も良い。

【００３４】又、前記対物レンズ２４の下側ヨークの先
端部に、中心部に電子ビーム通過孔を有する磁性材料又
は非磁性材料の円盤を取り付ければ、対物レンズ内に発
生している電界が試料に影響を与えることを防止するこ
とが出来る。尚、この円盤が磁性材料の場合、更に対物
レンズで発生している磁界が試料に影響を与えることを
防止することが出来る。

【００３５】又、ビームセパレータ２３として、電界，
磁界，電界をこの順序で電子ビーム光軸に沿って形成し
た型のフィルタを用いても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】低加速反射電子顕微鏡の１概略例を示してい
る。

【図２】本発明の直接写像型電子顕微鏡の概略例を示
す。

【図３】図２で使用されている対物レンズの一概略例
を示している。

【図４】図２で使用されている対物レンズの他の概略
例を示している。

【図５】本発明で使用されている対物レンズの色収差
特性を表したものである。

【符号の説明】

１…電子銃２…照射レンズ系３…セパレータ４…試料５，６…電極７…電源８…エミッションレンズ９…ウィーンフィルタ１０…投影レンズ１１…スクリーン２１…スクリーン２２…コンデンサレンズ２３…ビームセパレータ２４…対物レンズ２５…試料ステージ２６…試料２７…中間レンズ２８…エネルギーアナライザ２９…投影レンズ３０…像検出器３１…上側ヨーク３２…上側磁極３３…下側ヨーク３４…下側磁極３５…円筒体３６…コイル３７…電子ビーム通過孔３８…プレート３９…ヨーク４０…上側磁極４１…下側磁極４２…コイル４３…円筒状電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子ビーム発生手段、該電子ビーム発生
手段からの電子ビームを試料に照射させる磁界型対物レ
ンズ、試料の前方に配置され、試料に照射される電子ビ
ーム発生手段からの電子ビームと試料から発生される電
子を分離するビームセパレータ、試料から発生し該ビー
ムセパレータを通過した電子により試料像を形成するレ
ンズ系、該レンズ系によって形成された試料像を検出す
る像検出器を備えた直接写像型電子顕微鏡において、前
記磁界型対物レンズのレンズ磁場に静電レンズ場を重畳
させるようにしたことを特徴とする直接写像型電子顕微
鏡。
【請求項２】前記磁界型対物レンズの電子ビーム通路上
に電極が配置されており、該電極に試料に対して正の電
圧を印加することにより静電レンズ場を発生させるよう
にしたことを特徴とする請求項１記載の直接写像型電子
顕微鏡。
【請求項３】磁界型対物レンズの上側磁極と下側磁極が
絶縁されており、両者の間に電圧を印加することにより
静電レンズ場を発生させるようにしたことを特徴とする
請求項１記載の直接写像型電子顕微鏡。
【請求項４】前記試料に照射される電子ビームの加速
電圧が１００ボルト以上であることを特徴とする請求項
１記載の直接写像型電子顕微鏡。
【請求項５】前記ビームセパレータは、電界と磁界と
を直交して重畳するＥ×Ｂ、或いは電界と磁界と電界を
この順序で電子ビーム光軸に沿って形成した型のフィル
タ、或いはウィンフィルタビームセパレータであること
を特徴とする請求項１記載の直接写像型電子顕微鏡。
【請求項６】エネルギアナライザが試料像を形成する
前記レンズ系の間に設けられていることを特徴とする請
求項１記載の直接写像型電子顕微鏡。
【請求項７】前記対物レンズは、先端部が上側磁極を
形成している上側ヨーク、先端部が下側磁極を形成して
いる下側ヨーク、上側ヨークと下側ヨークの間に挿入さ
れた絶縁部材、上側ヨークと絶縁部材との間に配設され
たコイル及び前記下側磁極に取り付けられ、中心部に電
子ビーム通過孔を有するプレートから成り、前記上側ヨ
ークと該プレートの間に電圧が印加されるように成され
ている請求項１記載の直接写像型電子顕微鏡。
【請求項８】前記対物レンズは、先端部が上側磁極を
形成している上側ヨーク、先端部が下側磁極を形成して
いる下側ヨーク、上側ヨークと下側ヨークとの間に配設
されたコイル及び前記上側ヨークの内側に該ヨークに対
して空間を有して取り付けられた筒状の電極から成り、
該電極に電圧が印加されるように成されている請求項１
記載の直接写像型電子顕微鏡。
【請求項９】試料から発生される電子は反射電子であ
る請求項１記載の直接写像型電子顕微鏡。
【請求項１０】試料から発生される電子は二次電子で
ある請求項１記載の直接写像型電子顕微鏡。
【請求項１１】試料をマイナスの電位にした請求項９
記載の直接写像型電子顕微鏡。