JP4103345B2

JP4103345B2 - 荷電粒子線装置

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Publication number: JP4103345B2
Application number: JP2001176477A
Authority: JP
Inventors: 久弥村越; 浩士牧野; 博之品田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-06-12
Filing date: 2001-06-12
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2021-06-12
Also published as: JP2002367552A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型荷電粒子顕微鏡およびその類似装置に係り、特に低加速領域で高分解能かつ二次電子の検出効率の優れた荷電粒子光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型電子顕微鏡の分解能を向上させるために、一次電子線が試料を照射する直前まで高加速電圧とし、試料照射時に低加速電圧化する光学系が提案されている。この光学系では、電子線の照射により試料で発生した二次電子が、一次電子の減速電界により光軸方向に加速されるので、電界（Ｅ）と磁界（Ｂ）を直交させたいわゆるＥ×Ｂ形フィルタを用いて、光軸外に配置された二次電子検出器に入射させる構成が特開平２−１４２０４５号に記載されている。このＥ×Ｂ形フィルタは一次電子線に対してはフィルタ内を直進させ、二次電子に対しては、検出器方向に偏向させる作用をもつ。また、特開平２−１４２０４５号ではこの二次電子を偏向させる第一のＥ×Ｂ形フィルタで発生した色収差による一次電子線への影響をこの第一のＥ×Ｂ形フィルタより電子源側に配置された第二のＥ×Ｂ形フィルタにより補正する構成が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の構成では、図４に示すように、対物レンズ１３と対物レンズの物面との間に第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７および第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８を配置するので、コンデンサレンズ１２と対物レンズ１３の間の距離を大きくとる必要があり、電子光学系の全長が長くなってしまうという問題があった。さらに、収差補正にはそれぞれのＥ×Ｂ形フィルタの強度を対物レンズの物面までの距離の逆比で設定する必要があるので、対物レンズの物面に近い第二のＥ×Ｂ形フィルタには大きな強度で設定する必要があった。これを回避するために、対物レンズ１３の前段のコンデンサレンズ１２で一次電子線を平行にしてやれば、それぞれのＥ×Ｂ形フィルタを同じ強度で設定することが可能となるが、光学系全体の倍率を縮小系で用いるためにはさらに光学系寸法を長くしなければならないという問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７と第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８の配置関係が、同一レンズの物面あるいは像面までの間の位置に配置しなくても収差を補正でき、且つ第二のＥ×Ｂ形フィルタ１７の強度を大きく設定しなくても収差を補正できる装置を実現することにある。
図５に示すように、Ｅ×Ｂ形フィルタ５１が長さＬｄの空間内で作用するとし、Ｅ×Ｂ形フィルタ内の電界強度Ｅは一定で、Ｅ×Ｂ形フィルタ内で電界強度Ｅと直角に作用する磁束Ｂとの間にウィーン条件Ｅ＝ｖＢ（ｖ：電子線の速度）が成り立つとすると、Ｅ×Ｂ形フィルタ５１がレンズの物面とレンズの間に配置する場合の像面上での偏向色収差ｄ_ｃａは、ＬａをＥ×Ｂ形フィルタと物面との間の距離、Ｍをレンズ倍率、Ｖ_０をＥ×Ｂ形フィルタを通過する一次電子線の加速電圧、ΔＶを一次電子線のエネルギー幅に相当する電圧揺らぎとして、次式で表わされる。
【０００５】
【数１】

【０００６】
また、長さＬｄのＥ×Ｂ形フィルタがレンズの像面とレンズの間に配置する場合の像面上での偏向色収差ｄ_ｃｂは、ＬｂをＥ×Ｂ形フィルタと像面との距離と置くと、次式で表わされる。
【０００７】
【数２】

【０００８】
そこで、図６に示すように、長さＬｄ２の第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８をコンデンサレンズ１２の像面位置とコンデンサレンズ１２の間に配置すれば、第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８が対物レンズ１３の像面で発生させる偏向色収差ｄ_ｃ２は、(数２)でＥ２を第二のＥ×Ｂ形フィルタ内の電界強度、Ｌｃｂを第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８とコンデンサレンズ１３の像面との距離、Ｍｏを対物レンズ倍率と置くと、次式で表わされる。
【０００９】
【数３】

【００１０】
一方、対物レンズ１３の物面と対物レンズ１３の間に配置される長さＬｄ１の第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７が対物レンズ１３の像面で発生させる偏向色収差ｄ_ｃ１は(数１)でＥ１を第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７内の電界強度、第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７と対物レンズ１３の物面との距離をＬｏａと置くと、次式で表わされる
【００１１】
【数４】

【００１２】
(数３)と(数４)から第一の第二のＥ×Ｂ形フィルタに対する強度比を
【００１３】
【数５】

【００１４】
とし、試料面上で互いに逆方向に作用するように向きを設定すれば、試料面上での色収差を補正することができることがわかる。このように、第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８をコンデンサレンズ１２の像面位置とコンデンサレンズ１２の間に配置することにより、コンデンサレンズ１２と対物レンズ１３の間の距離を短くすることが可能となり電子光学系の全長を短くすることができる。
また、Ｌｄ１＝Ｌｄ２とし、Ｌｏａ＝Ｌｃｂの関係が成り立つ位置に第一および第二のＥ×Ｂ形フィルタを配置すれば、第一および第二のＥ×Ｂ形フィルタの強度をほぼ等しく設定することができるので、従来例のように第二のＥ×Ｂ形フィルタの強度を大きく設定することなしに収差補正をすることができる。
さらに、図７に示すように、第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８をコンデンサレンズ１２より電子源側に配置すれば、コンデンサレンズの倍率をさらに小さくすることができるので、電子光学系の全長をさらに小さくすることができる。すなわち、第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８がコンデンサレンズ１２とコンデンサレンズ１２の物面の間に配置されるとすると、第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８が対物レンズ１３の像面で発生させる偏向色収差ｄ_ｃｂは、第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８とコンデンサレンズ１２の像面との距離をＬｃａ、コンデンサレンズ倍率をＭｃと置くと、次式で表わされる。
【００１５】
【数６】

【００１６】
(数４)と(数６)から第一の第二のＥ×Ｂ形フィルタに対する強度比を
【００１７】
【数７】

【００１８】
とし、試料面上で互いに逆方向に作用するように向きを設定すれば、試料面上での色収差を補正することができる。
しかし、コンデンサレンズ１２が磁界型レンズの場合、一次電子線に対し集束レンズ作用に加えて、回転作用が発生する。すなわち、磁界レンズの光軸方向をｚ軸として、光軸上の磁束密度をＢ(ｚ)と置くと、磁界レンズにより生ずる回転角φは、
【００１９】
【数８】

【００２０】
で表わされる。ここではｅは素電荷、ｍは電子の質量である。
そこで、第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８には第一のＥ×Ｂ形フィルタに対して任意の方向に磁界および電界を発生させて、磁界レンズによる回転角を補正して試料上の偏向方向が反対方向になるように設定すれば、収差を補正することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態につき、実施例を挙げて詳細に説明する。
本発明の第一実施例を図１により説明する。図１は電子光学系を横からみた図である。電子光学系１０１は電界放出電子源１０、電子銃レンズ１１、コンデンサレンズ１２、対物レンズ１３、偏向器１５、第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７および第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８により構成されている。電子源１０から放出された一次電子線１０２は、コンデンサレンズ１２、対物レンズ１３により集束レンズ作用をうけて試料１上を集束照射される。試料１はリターディング電圧Vrに設定され、一次電子線はアース電位に設定された電極１４と試料１の間で急激に減速される。試料１から反射した反射電子あるいは試料１内で二次的に発生した二次電子は電子線光軸の方向へ加速された後に、第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７により検出器１６方向に偏向を受けて直接検出器１６で検出される。電子線の偏向走査は制御部４０により、偏向増幅器２９を介して送られる走査信号を偏向器１５に供給することによって電子線を制御することによって行われる。同時に表示装置４１には電子線走査と同期した偏向信号が制御部４０から供給され、試料走査像が表示装置４１に供給される。以上が電子光学系の基本構成である。
第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７および第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８は図２に示すような八極形状である。電極は磁性体をコイルで同方向に巻いた構成であり、電極が磁極をも兼ねている。また、第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７および第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８の周囲をそれぞれアース電位の磁性体１９および２０で囲むことにより、Ｅ×Ｂ形フィルタ内で発生する電界および磁界をＥ×Ｂ形フィルタ近傍に留める構成としている。第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７の各コイルには第一のＥ×Ｂ形フィルタ用コイル供給電源２７からコイル電流が、各電極には第一のＥ×Ｂ形フィルタ用電極印加電源２８から電極電圧が供給される。各電極、各コイルへの電圧および電流の配分は、図2に示すような電流Ix、IyおよびVx,Vyの関数として配分される。それぞれの強度比をVy/Vx=Iy/Ix=tanθに設定すれば、二次電子に対して図中のx軸からθ方向に偏向作用を与えることができる。
ここで図中の
【００２２】
【数９】

【００２３】
と置けば、高次の偏向収差が少ない条件が得られる。
第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７の強度および方向は検出器方向に二次電子が偏向されるように定められる。検出器の方向が図２のｘ方向とすると、図中のVyとIyをほぼ０にすれば、二次電子は検出器方向に偏向される。Vxと二次電子の偏向角との関係は二次電子がＥ×Ｂ形フィルタ１７に入射するエネルギー、すなわち試料に印加するリターディング電圧Vrに依存するので、あらかじめ電子線の軌道計算結果や実験から求めた所望の偏向角に対するリターディング電圧VrとVxの関係が制御部４０にインプットされている。IxとVxの関係は、電子線の軌道計算結果から求めた値があらかじめ制御部４０にインプットされているか、表示装置４１の画像上で試料上の偏向量が完全にキャンセルするようにマニュアルあるいは自動的に設定される。
第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８の強度は、(数４)より求められる。ここで、一次電子線１０２のコンデンサレンズ１２への物面位置すなわち電子銃レンズ１１の像面位置は、電子銃レンズの動作条件、すなわち、所望のエミッション電流を得るための引き出し電圧VEと一次電子線の加速電圧V0から、一義的に求められる。制御部４０にはあらかじめ実験あるいはレンズ計算により求められた電子銃レンズの像面位置とVEおよびV0との関係のデータがインプットされている。対物レンズの物面位置すなわちコンデンサレンズの像面位置のデータもあらかじめ加速電圧V0、リターディング電圧Vr、コンデンサレンズ１２の強度および対物レンズ１３の強度などの情報から求められるようになっており、例えば対物レンズの強度、加速電圧V0およびリターディング電圧Vrと対物レンズ物面位置との関係のデータが制御部４０にインプットされている。第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８の動作方向はコンデンサレンズの強度に依存する。この角度は(数８)より計算で求めるか、表示装置の画像上で求められる。画像上では、第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７を電界だけ印加した条件で第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８も電界だけ印加して、互いに逆な方向に作用するように第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８の各電極および各コイルの配分を定めればよい。例えば、第一と第二のフィルタの作用する方向がθだけ回転しているとすると、VxとVyの強度比Vy/Vx=tanθに設定してやれば良い。
以上より、加速電圧V0、リターディング電圧Vrから第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７の強度が制御部４０から第一のＥ×Ｂ形フィルタコイル供給電源２７および第一のＥ×Ｂ形フィルタ電極印加電源２８を介して設定される。さらに引き出し電圧VE、コンデンサレンズ１２の強度および対物レンズ１３の強度から第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８の強度が制御部４０から第二のエネルギーフィルタコイル供給電源２３、第二のＥ×Ｂ形フィルタ電極印加電源２４を介して設定される。
以上の動作により、二次電子を検出器方向に偏向する際に発生する第一のＥ×Ｂ形フィルタの収差を、第二のＥ×Ｂ形フィルタにより補正することができる。
本発明の第二の実施例は本発明を半導体パターンの回路検査に適用したもので、図３により説明する。検出器１６は対物レンズ１３の上方にあり、検出器１６の出力信号はプリアンプ２６で増幅されＡＤ変換器３２によりデジタルデータとなり、画像処理部４７へ入力される。検査装置各部の動作命令及び動作条件は制御部４８から入出力される。
電子源１０には電界放出電子源を用いるが、特にパターンの回路検査には拡散補給型の熱電界放出電子源を用いたほうが望ましい。これにより明るさ変動の少ない比較検査画像が得られ、且つ電子線電流を大きくすることが可能なことから、高速な検査が可能となる。試料１にはリターディング用高圧電源３１により負の電圧を印可できるようになっている。このリターディング用高圧電源３１の電圧を調節することにより、試料１への電子線照射エネルギーを最適な値に調節することが容易になる。
試料１の画像を取得するためには、細く絞った電子線を試料１に照射し、二次電子１０３を発生させ、一次電子線１０２の走査及びステージの移動と同期して検出することで試料表面の画像を得る。試料１は負電位に設定され、一次電子線は試料１の直前で急激に減速される。試料１から反射した反射電子あるいは試料１内で二次的に発生した二次電子は電子線光軸の方向へ加速され、対物レンズを通過した後に第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７により検出器１６方向に偏向を受けて反射板３３に入射し、反射板から発生した三次電子１０４が検出器１６で検出される。光軸近傍に配置された反射板３３からの三次電子１０４を検出することで、かつ二次電子の偏向角が小さい条件でも検出することができるとともに、検出器を光軸近傍に近づけなくてもよくなるので検出器の光軸方向のスペースを小さくすることも可能となる。第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８はコンデンサレンズ１２とコンデンサレンズ１２の像面位置の間に配置される。対物レンズの物面位置すなわちコンデンサレンズの像面位置のデータはあらかじめ加速電圧V0、リターディング電圧Vr、コンデンサレンズ１２の強度および対物レンズ１３の強度などの情報から求められるようになっており、例えば対物レンズの強度、加速電圧V0、リターディング電圧Vrの情報から、制御部４０は対物レンズ物面位置を決定し、(数５)より第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８と第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７の強度比を決定して、設定する。また、この実施例では２つのＥ×Ｂ形フィルタの間に磁界レンズが配置されていないので、第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８の動作方向は第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７の動作方向とほぼ等しく設定される。
本発明で述べるような自動検査には検査速度が速いことが必須となる。このような検査装置で、検査速度を決定するのは検出画像のＳＮであり、本実施例で高効率な二次電子検出が達成できれば、検査速度の向上を達成することができる。本実施例では通常のＳＥＭに比べ約１００倍以上の例えば１００ｎＡの大電流電子線の一回のみあるいは数回の走査によりＳＮの良好な画像を形成することができた。例えば、一枚の画像を１０００ｘ１０００画素で１０ｍｓｅｃで取り込んだ場合、ＳＮ比２０以上の画像を得ることができる。
画像信号には一画像分の遅延をかけて次の画像の取り込みと同期させて画像比較評価を行い、回路基板上の欠陥探索を行う構成としている。すなわち、画像処理系４７では、画像記憶部４２ａに記憶された画像と遅延回路４３より一画像分の遅延をかけて画像記憶部４２ｂに記憶された画像との比較評価を行う。演算部４５は例えば両画像の差を演算する機能を持ち、両画像の差がある閾値を越えた画像のアドレスＰを欠陥判定部４６に記憶することにより、欠陥検査を行う構成としている。
本発明では第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７を対物レンズ１３と対物レンズ物面の間に配置したが、第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７を例えば対物レンズ１３と対物レンズ像面の間に配置しても、第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８を例えば対物レンズ１３と対物レンズ物面の間に配置して、(数１)と(数２)で与えられる強度比で設定すれば第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７の収差を補正することができる。すなわち、第一のＥ×Ｂ形フィルタ１７が配置される集束レンズとその集束レンズの像面あるいは物面位置との間の空間以外のどのような位置に第二のＥ×Ｂ形フィルタ１８を配置しても、収差を補正することができる。
本発明は電子線装置について述べたが、これに限ることなくイオン線のような荷電粒子線装置に適用できることは言うまでもない。ただし、正の電荷をもっている荷電粒子線の場合には、減速電圧は正の値にする必要がある。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、低加速電圧でも高分解能でかつ二次電子の高検出効率が得られる荷電粒子線装置を従来より短い電子光学系寸法で実現できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施例の構成図。
【図２】本発明の第一実施例のＥ×Ｂ形フィルタの構成図。
【図３】本発明の第二実施例の構成図。
【図４】従来の構成図。
【図５】Ｅ×Ｂ形フィルタの動作を説明する図。
【図６】本発明のＥ×Ｂ形フィルタの第１の配置を示す図。
【図７】本発明のＥ×Ｂ形フィルタの第２の配置を示す図。
【符号の説明】
１…試料、２…Ｘ−Ｙステージ、３…回転ステージ、１０、…電子源、１１…電子銃レンズ、１２…コンデンサレンズ、１３…対物レンズ、１４…電極、１５…偏向器、１６…検出器、１７…第一のＥ×Ｂ形フィルタ、１８…第二のＥ×Ｂ形フィルタ、１９、２０…磁性体、２１…引き出し電圧制御電源、２２…加速電圧制御電源、２３…第二のＥ×Ｂ形フィルタ用コイル供給電源、２４…第二のＥ×Ｂ形フィルタ用電極印加電源、２５…コンデンサレンズ用電源、２６…プリアンプ、２７…第一のＥ×Ｂ形フィルタ用コイル供給電源、２８…第一のＥ×Ｂ形フィルタ用電極印加電源、２９…偏向増幅器、３０…対物レンズ用電源、３１…リターディング用電源、３２…ＡＤ変換器、３３…反射板、３４…ブランカ、４０…制御部、４１……表示装置、４２ａ、４２ｂ…画像記憶部、４３…遅延回路、４５…演算部，４６…欠陥判定部，４７…画像処理系，４８…制御部、１０１…電子光学系、１０２…一次電子線、１０３…二次電子、１０４…三次電子。

Claims

荷電粒子源と前記荷電粒子源から出た第一の荷電粒子線を絞って試料に照射する対物レンズ手段と、
前記対物レンズ手段と前記電子源の間に配置され照射系の倍率を制御するコンデンサレンズと、
前記第一の荷電粒子線の前記対物レンズに対する物面と前記対物レンズの間に配置されて前記試料から発生した二次荷電粒子線を前記第一の荷電粒子線から分離させる第一のフィルタと、
前記コンデンサレンズと前記コンデンサレンズの物面の間に配置された、前記第一のフィルタで発生した第一の荷電粒子線の収差を補正する第二のフィルタとを備え、
前記コンデンサレンズは、磁界型レンズであって、
前記第二のフィルタは、前記磁界型レンズの回転作用により生じる回転角を補正するために、前記第一の荷電粒子線の前記試料上の偏向方向と反対方向に偏向させるフィルタであることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記第一のフィルタおよび前記第二のフィルタが、Ｅ×Ｂ形フィルタであることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記Ｅ×Ｂ形フィルタは、八極形状であることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子源が電子源、前記第一の荷電粒子線が一次電子線、前記二次荷電粒子線が二次電子であることを特徴とする荷電粒子線装置。