JP2772821B2

JP2772821B2 - 電子線装置

Info

Publication number: JP2772821B2
Application number: JP1136557A
Authority: JP
Inventors: 彬米澤
Original assignee: セイコーインスツルメンツ株式会社
Priority date: 1989-05-30
Filing date: 1989-05-30
Publication date: 1998-07-09
Anticipated expiration: 2013-07-09
Also published as: JPH031432A; US5023457A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、大径の半導体ウェーハを大角度傾斜して、
低加速で高分解能観察できる電子線装置に関する。

〔発明の概要〕

電子線装置の対物レンズとして、単極磁界型対物レン
ズを使用して、該対物レンズの形状およびその強度を適
切にすることにより、該対物レンズの収差係数を低減さ
せるとともに、試料から生ずる二次電子を効率よく検出
するようにして、大径の半導体ウェーハを、低加速電圧
にて、大角度傾斜、高分解能観察するようにしたもので
ある。

〔従来の技術〕

近年、半導体開発の製造分野において、大径のウェー
ハを大角度傾斜して、低加速電圧で高分解能観察できる
走査型電子顕微鏡（SEM）が望まれている。

このために、対物レンズとして、第３図に示すコニカ
ルレンズを用いたSEMが開発されている（1987.日本電子
顕微鏡学会 29−III−4,日立、清水等）。このSEMで
は、大径の半導体ウェーハを60゜傾斜した状態で加速電
圧1KVにて、20nmの分解能が得られている。

しかし、この分解能では、半導体ウェーハの高分解能
観察には満足すべきものとはいえない。

さらに、高分解能が得られるSEMとして、試料を対物
レンズポールピース間に設置する、所謂インレンズSEM
がある。このSEMでは加速電圧1KVにて、分解能5nm以下
が得られており、高分解能の点では満足できるが、観察
できる試料の最大寸法は、10φ程度と小径の試料に限ら
れ、大径のウェーハの観察には不向きである。

また、大径の試料を観察するためのSEMの対物レンズ
として、単極磁界型対物レンズを使用することが考えら
れる。そして、この単極磁界型レンズの磁界分布、収差
係数等の諸特性については、既に解析がなされている。
（Juma S M and Mulve.T 1980 Inst.Phys.Conf.Ser.52
pp59−60等）。

しかしながら、これは第４図に示すような該レンズの
内筒10の磁極頂面11と外周の磁極面９とが同一面内にあ
り、内筒10は円錐面を有しない円筒状であるタイプにつ
いての研究にとどまり、二次電子検出を含めた具体的構
造に関してまでは検討がなされていない。

また、単極磁界型レンズを電子ビームテスタとして用
いる例も知られている（特開昭63−69135号）が高分解
能像が得られる、小さい収差係数を有する単極磁界型対
物レンズの形状、ディメンションについての報告はなさ
れていない。

〔発明が解決しようとする課題〕

既に述べたように、超LSIの集積度がさらに向上する
と、大径のウェーハを低加速電圧にて、大角度傾斜し
て、今まで以上の高分解能で観察することが望まれてい
る。

この発明では、上記の要望を満足するために、電子線
装置の対物レンズとして、高分解能が期待できる単極磁
界型レンズを用い、その配置、形状、レンズ強度を適切
に設置することにより、上述の目的を達成する走査型電
子線装置を提供することを目的としている。

敷衍すれば、大角度傾斜しても従来レンズの分解能を
越えて、例えば、前述のコニカルレンズに見られる20nm
を越える高分解能で観察することができ、当然のことな
がら、小角度傾斜あるいは傾斜無しの状態では、さらに
高分解能で観察することができる走査型電子線装置を提
供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

第１の発明が上記目的を達成するために採用する手段
は、電子線源からみて、試料より手前に磁極頂面が位置
する単極磁界型対物レンズを有する電子線装置におい
て、該対物レンズの内筒の磁極頂面手前に２次電子検出
器が設置され、該対物レンズ内筒は、基部が円筒状をな
し、かつ、内筒先端部に設けられた磁極頂面と、該基部
と該磁極頂面と連接する先細状の円錐形状部とからな
り、該対物レンズの内筒の磁極頂面と、上記円錐形状部
の円錐面とのなす交円の直径D_oと磁極頂面に形成された
電子線通過孔の直径D_iおよび上記円錐面と基部とのなす
交円の直径D_cとの関係は、 4mm≦D_i＜D_o≦18mm＜D_c であり、該対物レンズの内筒の円錐形状部の円錐面と該磁極頂
面とのなす角θが、 50゜≦θ≦70゜であり、該内筒を取り巻く外筒の磁極面は、内筒の磁極頂面よ
りも電子線源側に近く配置され、試料と該磁極頂面との
距離（ワーキングデスタンス）Ｗと、加速電圧Ｕにおい
て該試料に電子線束をフォーカスする超磁力との関係をとした単極磁界型対物レンズを設けたことを特徴とする
電子線装置である。

第２の発明は、上記第１の発明にかかる電子線装置に
おいて、上記対物レンズの内筒の基部外周が円錐形状部
に向けて先細の傾斜面を形成していることを特徴とする
電子線装置である。

第３の発明は、上記第１の発明にかかる電子線装置に
おいて、上記対物レンズの内筒の円錐形状部の磁極頂面
との間に、上記円錐面より小さい角度をもつ傾斜面が設
けられていることを特徴とする電子線装置である。

第４の発明は、上記第２の発明、および第３の発明の
特徴を併せもった電子線装置である。

〔作用〕

まず単極磁界型レンズの作動原理について、第４図に
基づいて説明する。第４図は、内筒10の磁極頂面11と外
筒８の磁極面９とが同一面にある単極磁界型レンズ５
で、これの磁界分布については、前述したJuma等の報告
がある。

そして、単極磁界型対物レンズの球面収差係数C_Sおよ
び色収差係数C_Cは、上記レンズの磁界分布から、特に説
明しない既知の積分公式により求めることができる。

そして、内筒の磁極頂面の径D_Oに対する大径の試料の
傾斜角を最大60゜とすると、このときの最小のワーキン
グデスタンス（対物レンズと試料との距離）Ｗは、このときの各収差係数C_S,C_Cを上記公式を用いて求め、D
_Oに対して図示すると、第５図のようになる。

ここで、加速電圧1KVで、二次電子像の分解能を10nm
以下にするためには、C_C≦10mmが必要である。したがっ
て、第５図より、D_O≦18mmなる条件が得られる。

すなわち、低加速電圧（1KV）にて、大径の試料を大
角度（60゜）に傾斜して、10nm以下の高分解能で観察す
るためには、単極磁界レンズの磁極頂面の直径は、18mm
φ以下でなければならないことが分かる。

一次電子線が、試料14を照射することにより生じた二
次電子線は、内筒10の磁極頂面11と、外筒８の磁極面９
との間に生じた磁界（第４図B_Z参照）により光軸付近に
拘束され、第６図に示すように、内筒10の磁極頂面11に
向かう。

この二次電子線は、該頂面11に設けられた孔（直径
D_i）を通過して後、内筒10内に設けられた二次電子検出
器（図示しない）により検出される。

ここで、二次電子線が通過可能な孔の直径D_iの大きさ
を求める。今、D_O＝15φ，試料位置加速電圧Ｕを1KVとし、二次電子線17のエネルギーを10
V,二次電子線の試料とのなす出射角45゜としたときの磁
極頂面11付近での二次電子線17の軌道を第６図に示す。

磁極頂面11に設けられた孔の直径D_iの深さは、加工あ
るいは強度上、通常2mm程度必要と考えられる。二次電
子軌道から上記二次電子線17が、上記深さ2mmの孔D_iを
通過するためには、上記孔D_iは少なくとも4mm以上でな
ければならないことが分かる。

また、Ｕ＝500V,二次電子線17のエネルギーを5Vとし
た場合、D_O＝５φとした場合等についても同様の値が得
られる。

次に該対物レンズの満たすべきフォーカス起磁力の大
きさを求める。

前述の単極磁界型レンズについて、試料位置をパラメ
ータとして、磁極頂面直径D_Oに対するフォーカス起磁力を第７図に示す。ここで、ATはAmpere Turnを表す。

第７図より、D_O≦18mmでは、はＷ一定の場合ほぼ直線である。そして、第７図から、
フォーカス起磁力は、で表される関係式で与えられることが導かれる。ここで
AT/V 1/2は単位を示す。当然、D_O≦18mmでは、各収差係
数C_S,C_Cについてばかりでなく、所要の起磁力も小さく
てすむことが分かる。

さらに、実際のレンズにおいては、内筒内に偏向系を
組み込むこと、また、ヨーク部における磁気飽和を防止
することの理由により、単極磁界型レンズの内筒の直径
D_Cは、D_O（≦18mm）より大きくする必要がある（通常50
mm程度以上）。したがって、大径のウェーハを60゜前後
に大角度傾斜するために、頂面D_Oと、内筒の円柱面（直
径D_C）を、θ＝60゜前後（50゜≦θ≦70゜）の円錐面で
接続する必要がある。

このようにした場合、フォーカス起磁力は、式（１）で示したものより増大することが分かっ
た。磁場分布の測定から、θが50゜,60゜および70゜の
場合のフォーカス起磁力のD_C＝D_Oの場合に対する比k₁を
第８図に示す。第８図より、であることが分かる。但し、定数Ｃはθが50゜,60゜お
よび70゜の場合、それぞれ0.26,0.22および0.19なる値
をとる。

したがって、θ＝60゜前後（50゜≦θ≦70゜）の円錐
面を有し、この円錐面が直径D_Cである内筒の円柱面にD_O
と別の側で接続している単極磁界型レンズのフォーカス
起磁力は、であることが分かる。

さらに、大径のウェーハを大角度傾斜するためには、
外筒の磁極面は、内筒の磁極頂面（D_O）よりも、電子線
側に引っ込んでいる方が、試料との衝突が避けられ都合
が良い。

この場合のフォーカス起磁力（３）式よりも、さらに大きくなることが分かった。

即ち、外筒の磁極面９が内筒の磁極頂面11と距離Ｌだ
け離れている場合（第１図参照）のフォーカス起磁力の
Ｌ＝０の場合のフォーカス起磁力に対する比k₂を第９図
に示す。

Ｌ＝50mmでは、k₂≒1.14,L＝200mmでは、k₂≒1.9とな
る。６インチウェーハを60゜傾斜して、全ウェーハ面を
観察する場合、試料設置とウェーハ頂上との距離は、2
5.4×６×sin60゜≒132mmであるので、Ｌ≒132mmとすれ
ばよい。このとき第９図より、ｋ≒1.5である。

第１図より明らかなように、ウェーハの傾斜を60゜ま
で妨げない範囲で、Ｌを132mmより小さくすることもで
きる。この場合、必要なフォーカス起磁力減少するので都合がよい。今後、ウェーハの径が、さら
に大きくなることも予想されるが、Ｌがあまり大きくす
ることは必要なフォーカス起磁力が大きくなって好まし
くない。第９図より、k₂≦２とするためには、Ｌ≦200m
mとすべきであることが分かる。

また、単極磁界型対物レンズの内筒10の基部を構成す
る円柱面に、第２図に示すように、テーパＡをもたせ、
内筒10の底部のヨーク断面を増すことにより、基部にお
ける磁気飽和を防止して、起磁力を増大させることがで
きる。さらに、円錐面と磁極頂面11との間に、より小さ
い傾斜角を設けて、より小さい試料位置Ｗを設置できる
ようにして分解能を向上させることができるが、この場
合において、式（３）におけるD_Oは、円錐面の延長と円
筒10の磁極頂面11との交円とする。

〔実施例〕

第１図に、本発明の一実施例を示す。本発明の電子線
装置は、電子銃2,集束レンズ3,単極磁界型対物レンズ５
と、試料室13よりなる。単極磁界型対物レンズ５は、電
子線源２から見て、電子線軸４上において、試料14より
手前に、内筒10の磁極頂面11を有するように設置されて
いる。該磁極頂面11の手前は、二次電子検出器12および
２段の走査コイル７が設けられている。電子銃２より出
た電子線は、集束レンズ３により集束された後、単極磁
界型対物レンズ５により試料14上に集束され、走査コイ
ル７により試料14上に走査される。試料14より出た二次
電子17（第６図参照）は、磁極頂面11に設けられた孔を
通過後、二次電子検出器12により検出される。

内筒10は、傾斜角θが60゜前後の円錐面を有してい
る。この円錐面は、直径D_cの内筒10の円柱面に接続され
ている。

単極磁界型対物レンズの内筒10の磁極頂面11の直径D_o
と、この頂面に設けられた孔の直径D_iおよび円柱面の直
径D_cとは、既に述べたように、4mm≦D_i＜D_o≦18mm＜D_c
なる範囲の値に設定されている。また、外筒の磁極面９
は、内筒の磁極頂面11より電子線源側に引っ込んで位置
しており、非磁性材16を介して磁性材よりなる試料室13
に接続されている（この点については本願出願人が、既
に特願昭63−279987号において提案している）。

大径の試料は、60゜前後の大角度に傾斜することがで
きる。該試料は、頂面の径D_oの大きさで決まる最小の試
料位置Ｗに設置されている。

単極磁界対物レンズ５は、該レンズのコイルに電流を
流すことにより励磁される。この起磁力Ｊ（：コイルに
流れる電流×コイル巻数）の大きさは、試料位置W,磁極
頂面径D_o,内筒円柱の径D_c,円錐面の傾斜θ，および外筒
の磁極面９と、内筒の磁極頂面11との距離に依存して定
められる。前述したように、この起磁力（３）式で与えられるより大きな値に設定され、集束レンズ３より出た電子束
は、この起磁力による単極磁界型対物レンズ５の作用に
より内筒の磁極頂面11からＷの距離にある試料に集束さ
れる。

なお、単極磁界型対物レンズの内筒は、第２図に示し
た形状でしてもよい。すなわち、θ≒60゜前後の円錐面
と、磁極頂面11との間に、より小さい傾斜角、例えば45
゜程度の傾斜面を設ける。このようにすると、30゜程度
以下の小さい試料傾斜角度にて、第１図の場合よりもよ
り小さい試料位置Ｗに設定できるので、分解能を向上さ
せることができる。また内筒10の基部を構成する円柱面
も第２図Ａのごとく、垂直方向から若干傾斜をもたら
せ、内筒10底部において、ヨーク断面を増し、磁気飽和
しにくい構造とし、より大きな起磁力を印加可能にする
こともできる。この場合におけるD_oは、60゜前後の大き
な角の傾斜面の延長と内筒10の磁極頂面11との交円とす
る。

なお、第２図では対物レンズの内筒10の基部を構成す
る円柱面に、第２図Ａのごとく若干傾斜をもたせ、円錐
面と磁極頂面11との間により小さい傾斜角をもつ面をも
たせているが、これらは、独立して別々に設けることが
できることは当然である。

第10図に、本発明における第１図で示した一実施例の
収差係数C_s,C_cをワーキングデスタンスＷに対して示
す。また、第11図に、Ｗに対するフォーカス起磁力を示す。但し、単極磁界型対物レンズの諸次元は下記の
ようである。

D_o＝14mmφ D_i＝7mmφ，θ＝60゜ D_c＝100mmφ L ＝100mm 第10図，第11図によると、フォーカス起磁力、収差係
数C_s,C_cおよび分解能は第12図のようになる。

加速電圧1KV,60゜傾斜可能なワーキングデスタンス15
mmにおいて、10nmの分解能が得られる。また、ワーキン
グデスタンス5mmでは、さらに高分解能5nmが得られる。
さらに、ワーキングデスタンスを小さくすれば、第10で
示すごとく、数差係数が小さくなるので、より高分解能
像が得られるが、第11図で示すように急速に必要なフォ
ーカス起磁力が増大する。必要なフォーカス起磁力を小さくして、収差係数を小さくするには、磁極頂面11
の径D_o等を小さくすればより。例えばD_o＝10mmφ（この
ときDi＝5mmφ）とすれば、第５図より60゜傾斜可能な
ワーキングデスタンスにて、C_s≒20mm,C_c≒5.5mmが得ら
れる。

しかしながら、磁極頂面11に設けられた孔の径D_iをあ
まり小さくすると、特に低加速電圧で、ワーキングデス
タンスが大きいとき、二次電子検出効率が低下するの
で、注意を要する。例えば、D_i≒3mmφにすると、加速
電圧1KV,60゜傾斜の状態では、D_i≒7mmφの場合に比し
て、二次電子検出効率は、1/3以下になってしまい。実
用的でない。

〔発明の効果〕

第13図に、本発明の一実施例と最も小さい値が得られ
ると思われるコニカルレンズにおける分解能の比較を示
す。

本発明では、ワーキングデスタンスＷ≒15mm,試料傾
斜角60゜にて、10nmの分解能が得られる。また、Ｗ≒5m
m,試料傾斜角≒30゜にて、5nmの分解能が得られる。

すなわち、従来例に比し、大角度傾斜にて、約1/2の
高分解能、また低角度傾斜にても、約1/3の高分解能で
観察することができ、その効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す全体図、第２図は本発
明の単極磁界型対物レンズの１変形例、第３図は従来の
コニカルレンズを示す図、第４図は単極磁界型対物レン
ズの概念図、第５図は試料を60゜傾斜した場合の最小ワ
ーキングデスタンスにおける単極磁界型対物レンズの磁
極頂面径D_oに対する収差係数C_s,C_cの関係図、第６図は
試料から出た二次電子が内筒の頂面の孔に侵入するまで
の軌道を示す図、第７図は単磁極型対物レンズの磁極頂
面径D_oに対するフォーカス起磁力の関係図、第８図は円錐面の試料となす角が50゜,60゜
および70゜の場合における内筒円柱の径D_c/D_oに対する
フォーカスの起磁力の増加割合k₁を示す図、第９図は単
極磁界型対物レンズの外筒の磁極面が距離Ｌだけ内筒の
磁極頂面より引っ込んだ場合のフォーカス起磁力の増加
割合k₂を示す図、第10図は本発明の一実施例においてワ
ーキングデスタンスＷに対する収差係数C_s,C_cの関係
図、第11図は本発明の一実施例においてワーキングデス
タンスＷに対するフォーカス起磁力の関係図、第12図は本発明の一実施例においてワーキン
グデスタンスＷに対する単極磁界型対物レンズの諸定数
を示す図、第13図は本発明における単極磁界型対物レン
ズを用いた電子線装置の分解能とコニカルレンズを用い
た従来例における分解能との比較を示す図である。１……顕微鏡本体２……電子銃３……集束レンズ４……電子線軸５……単極磁界型対物レンズ６……励磁コイル７……走査系コイル８……外筒９……外筒の磁極面 10……内筒 11……内筒の磁極頂面 12……二次電子検出器 13……試料室 14……試料 15……試料室壁 16……非磁性材 17……二次電子 20……ヨーク

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電子線源からみて、試料より手前に磁極頂
面が位置する単極磁界型対物レンズを有する電子線装置
において、該対物レンズの内筒の磁極頂面手前に２次電子検出器が
設置され、該対物レンズ内筒は、基部が円筒状をなし、かつ、内筒
先端部に設けられた磁極頂面と、該基部と該磁極頂面と
連接する先細状の円錐形状とからなり、該対物レンズの内筒の磁極頂面と、上記円錐形状部の円
錐面とのなす交円の直径D₀と上記円錐面と基部とのなす
交円の直径D_Cとの関係は、 D₀≦18mm＜D_C であり、該対物レンズの内筒の円錐形状部の円錐面と該磁極頂面
とのなす角が 50゜≦θ≦70゜であり、該内筒を取り巻く外筒の磁極面は、上記内筒の磁極頂面
よりも電子線側に近く配置され、上記外筒の磁極面と内
筒との磁極面との距離Ｌが 100mm≦Ｌ≦200mm であり、上記試料と上記磁極頂面との距離（ワーキングディスタ
ンス）Ｗとした時、加速電圧Ｕにおいて上記試料に電子
線束をフォーカスする起磁力J/U^1/2（AT/V^1/2）を｛7.1（D₀/W）＋2.2｝×｛0.26（D_C/D₀−１）＋１｝×
２＞J/U^1/2＞｛7.1（D₀/W）＋2.2｝×｛0.19（D_C/D₀−
１）＋１｝とした単極磁界型対物レンズを設けたことを特徴とする
電子線装置。
【請求項２】上記対物レンズの内筒の基部外周が円錐形
状部に向けて先細の傾斜面を形成していることを特徴と
する請求項１に記載の電子線装置。
【請求項３】前記外筒の磁極面は非磁性材を介して試料
室壁に接続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。