JP2789094B2 - 粒子線機器の検出器対物レンズ - Google Patents

粒子線機器の検出器対物レンズ

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 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型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リソグラフ
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、寸法交差の
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
る電界形浸漬レンズと、一次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、電界形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。 ［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、この発明を詳細に説明する。 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上に集束される。
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形浸漬レンズKE,UPと、
一次電子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、磁極片ギャップPS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＝結像系の焦点距離）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OP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ギャップ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形浸漬レンズ
の電極KEは、磁界形レンズMLの上側の磁極片OPと同様に
円錐台形の孔の中にその対称軸線OA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UUP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、浸漬レンズの上
側の電極KEは下側の磁極片UPに関して例えば５ないし10
kVの正電位UKEに置かれる。 電界形浸漬レ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UKE,U
UP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。それで上側の電極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）の場合の磁界形レンズ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１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、磁界形単一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上の符号を付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上方
に対称軸線OA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≦URE≦UKE）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、1966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。また、表面障壁層検出器
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ML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、上側の磁極片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大きい色収差及び
球面収差を引き起こす。正電位UKE（UKE＝＋５ないし＋
10kV）に置かれた円筒形の又は第２図に示すような円錐
台形の電極KEを上側の磁極片OP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＝0kV）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方向への
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UUP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顕微鏡
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、一次エネ
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、周知の式 ｄ＝（d0 2＋dF 2）1/2 １） が成立し、その際d0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 dF＝CF・α・ΔU/U ２） により決定され、放射線開口αとレンズの色収差定数CF
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、電子間相互作用の不利な影響の低
減（エネルギー幅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利用される。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2keV）で通過し、
続いて電子は高いエネルギー（例えば10keV）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。一次電子
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、陰極電位を−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UUP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UKE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置くことも可能である。
【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……電極、ML……磁
界形レンズ、OA……対称軸線、OP,UP……磁極片、PE…
…一次粒子線、PR……試料、PS……磁極片ギャップ、RE
……遮蔽体、SE……二次粒子、UKE,URE,UUP……電位。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−95843（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−131353（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−62048（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−104960（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 １．粒子線機器の検出器対物レンズであって、 ａ） ほぼ回転対称な磁界を発生する磁界形レンズ（M
    L）を備え、 ｂ） 磁界形レンズ（ML）の内部に対称軸線（OA）に対
    し対称に配置されたほぼ回転対称な電界を発生する電界
    形浸漬レンズを備え、その際該レンズは異なる電位（U
    KE、UUP）に置かれた少なくとも二つの電極（KE、UP）
    を有し、これらの電極は、一次粒子線（PE）の粒子を減
    速する遅延電界を生成し、 ｃ） 一次粒子線（PE）により試料（PR）上で放出され
    た二次粒子（SE）の検出のために用いられる検出器（D
    T）を備え、該検出器は、一次粒子線（PE）の方向に見
    て、磁界形レンズ（ML）の磁極片ギャップ（PS）の前に
    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。
JP62311816A 1986-12-12 1987-12-08 粒子線機器の検出器対物レンズ Expired - Lifetime JP2789094B2 (ja)

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DE3642559 1986-12-12

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