JP4135221B2

JP4135221B2 - 写像型電子顕微鏡

Info

Publication number: JP4135221B2
Application number: JP19248798A
Authority: JP
Inventors: 徹高木; 明弘後藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-06-22
Filing date: 1998-06-22
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2018-06-22
Also published as: JP2000011934A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームを用いて試料面の観察、検査等を行うための写像型電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より微細化、高集積化した半導体素子等の観察、検査をするために、電子ビームを用いた電子顕微鏡が多く用いられている。電子顕微鏡の中には、写像光学系を用いた低エネルギー電子顕微鏡と呼ばれるものがある（K.Tsuno,Ultramicroscopy 55(1994)127-140「Simulation of a Wien filter as beam separator in a low energy electron microscope」）。
【０００３】
図３にて、低エネルギー電子顕微鏡について簡単に説明する。電子銃１より発せられた照射用電子ビームＳは、照明レンズ２、３によって整形された後、イー・クロス・ビー（Ｅ×Ｂ）４に入射する。イー・クロス・ビー４によって偏向された照射用電子ビームＳは、開口絞り５を通過した後、カソードレンズ６を通過して試料７に落射照明される。
試料７に照射用電子ビームＳが照射されると、試料７から２次電子、反射電子、後方散乱電子等が放出される。これらの電子のうち少なくとも１つが、写像用電子ビームＫとなる。
【０００４】
試料７から放出された写像用電子ビームＫは、カソードレンズ６、開口絞り５を通過して、イー・クロス・ビー４に入射する。そして、ウィーン条件を満たすことにより、イー・クロス・ビー４を直進通過した写像用電子ビームＫは、結像レンズ前群８、視野絞り９、結像レンズ後群１０を通過した後に、ＭＣＰ（Micro Channel Plate）等の電子ビーム検出器１１上に結像する。ここで、照明レンズ２、３、カソードレンズ６、結像レンズ前群８、結像レンズ後群１０は、アインツェルレンズ等の静電レンズである。
電子ビーム検出器１１に写像用電子ビームＫが入射すると、写像用電子ビームＫは光に変換される。電子ビーム検出器１１から放出された光、すなわち試料７の光学像は、リレーレンズ１２を透過して、ＣＣＤ等の撮像素子１３に入射される。撮像素子１３に入射した光は、光電信号に変換されて制御部１４に伝達される。
【０００５】
次に図４にて、イー・クロス・ビー４の構成について簡単に説明する。イー・クロス・ビー４は、主に、ヨーク２０、電極２１ａ、２１ｂ、コイル２２ａ、２２ｂ等で構成される。ヨーク２０は、接地されている。そして、電極２１ａには電圧（−Ｖ₂）が印加されて、電極２１ｂには電圧（＋Ｖ₂）が印加されて、コイル２２ａ、２２ｂには電流が流される。これにより、イー・クロス・ビー４の中央部において、Ｘ方向へは電場が発生し、Ｙ方向へは磁場が発生する。
イー・クロス・ビー４は、その中心軸が、図３におけるカソードレンズ６及び結像レンズ前群８、結像レンズ後群１０の光軸に一致するように配置され、更に前述した電場のベクトルが照射系入射面内に含まれるように配置される。
【０００６】
こうして、イー・クロス・ビー４に斜入射した照射用電子ビームＳは、偏向されて＋Ｚ方向ヘ進む。他方、試料７から放出された写像用電子ビームＫは、写像用電子ビームＫに対するウィーン条件が満たされることによって、−Ｚ方向に直進する。このように、イー・クロス・ビー４は、いわゆるビームセパレータとしての機能をもつ。
ここで、ウィーン条件とは、写像用電子ビームＫに対する運動方程式が、Ｆ＝ｑ・（Ｅ−ｖＢ）＝０を満たす電磁場による直進条件をいう。照射用電子ビームＳにおいては、イー・クロス・ビー４内での進行方向が、写像用電子ビームＫの進行方向とは逆であるため、電場と磁場による力が同じ方向に働き、その合成された力により偏向される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の写像型電子顕微鏡は、非点隔差や倍率隔差が発生しており、精度の高い観察、検査の大きな妨げになっていた。これらの隔差の発生原因は、イー・クロス・ビーの電子ビームに対する電場方向（Ｘ方向）のパワーと、磁場方向（Ｙ方向）のパワーとが異なることによる。すなわち、イー・クロス・ビーは、電場方向では凸パワーをもち、磁場方向ではノーパワーであった。
非点隔差や倍率隔差が生じないようにするために、上記従来のイー・クロス・ビーの電磁場に、更に４重極子成分を重畳させる方法が考えられている。具体的には、図５に示すように、ヨーク２０には所定の電圧（−Ｖ₄）を印加し、電極２１ａ、２１ｂには予め印加されている電圧（−Ｖ₂、＋Ｖ₂）に加えて、ヨーク２０に印加した電圧（−Ｖ₄）と逆極性の電圧（＋Ｖ₄）を印加する。これにより、Ｙ方向にも電場によるパワーが発生することになり、このパワーによって非点隔差と倍率隔差を補正することができる。
【０００８】
このような方法によれば、イー・クロス・ビーにて発生する非点隔差と倍率隔差を補正することができる。しかし、写像型電子顕微鏡全体でみた非点隔差及び倍率隔差には、その他に、機械的公差から生じるものや、照射粒子の汚染等により経時で生じるもの等がある。これらの隔差の方向は、イー・クロス・ビーで発生する隔差が特定な方向であるのに対して、不特定な方向である。したがって、イー・クロス・ビー内で発生する特定方向の隔差のみを補正する方法、すなわち、４重極子成分を重畳したイー・クロス・ビーでは、不特定方向の隔差を充分に補正することはできない。
【０００９】
これに加えて、４重極子成分を重畳したイー・クロス・ビーは、耐久性の面で問題がある。すなわち、前述したように、イー・クロス・ビーに４重極子成分を重畳するため、コイル２２ａ、２２ｂを巻いた強磁性体からなるヨーク２０に、電圧を印加している。ところが、イー・クロス・ビーは、通常、密閉された真空槽内に設置されており、放熱がされにくい。このような状態で、接地されていないヨーク２０にコイル電流が長時間流されると、ヨーク２０の温度は次第に上昇していく。この温度上昇に伴いイー・クロス・ビーは熱変形し、新たな非点隔差や倍率隔差の要因となる。このような経時での耐久性の問題を解決するため、温度上昇を抑えるための冷却機構を設けたとしても、装置の拡大化や高コスト化といった別の問題を招くことになる。
【００１０】
また、写像光学系にスティグメータを１つ設置する方法も考えられている。スティグメータとは、複数の静電極子又は複数の電磁極子で構成されたものをいう。一般的に、８極子を１段で用いたものや、２段の４極子が中心軸で４５度回転しているもの等が用いられている。スティグメータは、その中心軸に直交する面内において、任意の方向に非点隔差を発生させることができる。そして、このようなスティグメータを写像光学系に１つ追加すれば、イー・クロス・ビー等で発生する非点隔差と逆の非点隔差を発生させて、全体の非点隔差を補正することができる。
実際に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等においては、１つの電磁型８極子のスティグメータを用いて、非点隔差を補正している。ところが、走査型電子顕微鏡の場合、その集光点が１点であるのに対して、写像型顕微鏡の場合、２次元上のあらゆる点を歪みなく集光させる必要があるため、１つのスティグメータでは充分な隔差補正はできない。すなわち、非点隔差は補正され、それによる分解能劣化は改善されるものの、非点隔差を補正した方向に倍率隔差が生じる。そして、この倍率誤差による像歪みが発生する。
したがって本発明は、いかなる非点隔差及び倍率隔差も補正可能で、低コストで高分解能な耐久性に優れた写像型顕微鏡を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち、添付図面に付した符号をカッコ内に付記すると、本発明は、照射用電子線（Ｓ）を試料面（７）に照射させる照射手段と、試料面（７）から放出される写像用電子線（Ｋ）を電子線検出手段（１１）に結像させる写像手段とを備えた写像型電子顕微鏡において、写像手段は、複数のスティグメータ（１６、１７）を有し、複数のスティグメータ（１６、１７）のうちの少なくとも２つのスティグメータ（１６、１７）は、互いに共役と異なる位置に配置されたことを特徴とする写像型電子顕微鏡である。
【００１２】
また本発明は、照射線源（１）から発する照射用電子線（Ｓ）を照射光学系（２、３）を介して光路切換手段（４）に入射させ、光路切換手段（４）を通過した照射用電子線（Ｓ）を対物光学系（６）を介して試料面（７）に入射させ、試料面（７）から放出される写像用電子線（Ｋ）を対物光学系（６）を介して光路切換手段（４）に入射させ、光路切換手段（４）によって照射線源（１）に至る方向とは異なる方向に写像用電子線（Ｋ）を導き、光路切換手段（４）を通過した後の写像用電子線（Ｋ）を結像光学系（８、１０）を介して電子線検出手段（１１）に入射させる写像型電子顕微鏡において、結像光学系（８、１０）は、複数のスティグメータ（１６、１７）を有し、複数のスティグメータ（１６、１７）のうちの少なくとも２つのスティグメータ（１６、１７）は、互いに共役と異なる位置に配置されたことを特徴とする写像型電子顕微鏡である。
【００１３】
以上の構成の写像型電子顕微鏡において、互いに共役でない位置に配置された少なくとも２つのスティグメータによって、非点隔差と倍率隔差を同時に補正することができる。
前述したようにスティグメータは、非点隔差に寄与するだけでなく、倍率隔差にも寄与する。そして、スティグメータを配置する光学的位置によって、それらの寄与の割合が異なってくる。すなわち、非点隔差と倍率隔差は、概ねトレードオフの関係にあり、スティグメータを非点隔差への寄与が大きい位置に配置すると倍率隔差への寄与は小さくなり、逆に、倍率隔差への寄与が大きい位置に配置すると非点隔差への寄与は小さくなる。したがって、非点隔差と倍率隔差を同時に補正するには、少なくとも２つのスティグメータを、光学的に共役でない位置に配置すれば良い。
【００１４】
このように、スティグメータの配置位置によって、両隔差への寄与の割合が異なってくるのは以下のことに起因する。すなわち、スティグメータ内において、光軸から離れた位置を通過する電子ビームは、光軸に近い位置を通過する電子ビームに比べて、スティグメータから受ける偏角が大きくなる。しかし、その偏角が像に影響する度合いは、スティグメータの配置位置が、結像面又はその共役位置に近づくにつれて小さくなっていく。
【００１５】
まず、スティグメータを開口絞り又はその共役位置に配置した場合、電子ビームの主光線は光軸近傍を通過するので倍率隔差への影響は小さいが、周辺光は開口絞りの開口面の全域に広がっているので非点隔差ヘの影響は大きくなる。すなわち、開口絞り近傍に配置したスティグメータは、非点隔差を効率良く補正することができる。
次に、スティグメータの配置位置を、開口絞り又はその共役位置から離していくと、次第に、主光線は軸外に広がるため倍率隔差ヘの影響は大きくなっていくが、周辺光は開口絞りの開口面に比べてそれ程広がることはないので、非点隔差への影響は小さくなるか殆ど変わらなくなる。すなわち、開口絞りと視野絞りの中間に配置したスティグメータは、倍率隔差を効率良く補正することができる。
【００１６】
更に、スティグメータの配置位置を、視野絞り等の結像位置又はその共役位置に近づけると、次第に両隔差への影響は低減していく。そして、スティグメータを結像位置上、又はその共役位置上に配置したとき、両隔差への影響は殆どなくなる。
したがって、２つのスティグメータのうちの一方を、例えば、開口絞り近傍に配置し、他方を、開口絞りと視野絞りの中間に配置することによって、両隔差を効率良く補正することができる。すなわち、開口絞り近傍に配置したスティグメータは非点隔差を効率良く補正することができ、開口絞りと視野絞りの中間に配置したスティグメータは倍率隔差を効率良く補正することができる。
【００１７】
また、イー・クロス・ビーを用いた写像型顕微鏡においては、前述したようにイー・クロス・ビー自体に非点隔差の発生要因があるため、２つのスティグメータのうちの一方を、イー・クロス・ビーの近傍、又はイー・クロス・ビーの共役点若しくはその近傍に配置させることで、より効率良く非点隔差を補正することができる。このとき、その他の原因で発生する非点隔差、すなわち、機械的公差や経時汚染等による非点隔差が無視できるものであれば、このスティグメータのみで、非点隔差の大半を補正できることになる。このような場合、イー・クロス・ビーで発生する非点隔差の方向は明らかであるので、スティグメータとして４極子を用いることができる。ただし、ズーム等で共役点が変動する写像型顕微鏡については、その限りではない。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面によって説明する。図１は、本発明による写像型電子顕微鏡の一実施例を示す。電子銃１より発せられた照射用電子ビームＳは、照明レンズ２、３によって整形された後、イー・クロス・ビー４に入射する。イー・クロス・ビー４によって偏向された照射用電子ビームＳは、開口絞り５を通過した後、カソードレンズ６を通過して試料７に照射される。
試料７に照射用電子ビームＳが照射されると、試料７から２次電子、反射電子、後方散乱電子等が放出される。これらの電子のうち少なくとも１つが、写像用電子ビームＫとなる。
試料７から放出された写像用電子ビームＫは、カソードレンズ６、開口絞り５を通過して、イー・クロス・ビー４に入射する。そして、ウィーン条件を満たすことにより、イー・クロス・ビー４を直進通過した写像用電子ビームＫは、第１スティグメータ１６、結像レンズ前群８、第２スティグメータ１７の順に通過した後、視野絞り９上に中間結像を形成する。視野絞り９を通過した写像用電子ビームＫは、更に結像レンズ後群１０を通過して、電子ビーム検出器１１上に拡大投影像を形成する。
【００１９】
ここで、第１スティグメータ１６、第２スティグメータ１７は、例えば、静電型８極子である。そして、第１スティグメータ１６は、イー・クロス・ビー４の近傍に配置されており、非点隔差を効率良く補正する。他方、第２スティグメータ１７は、結像レンズ前群８と視野絞り９の中間に配置されており、倍率隔差を効率良く補正する。
また、照明レンズ２、３、カソードレンズ６、結像レンズ前群８、結像レンズ後群１０は、アインツェルレンズ等の静電レンズである。
電子ビーム検出器１１に写像用電子ビームＫが入射すると、写像用電子ビームＫは光に変換される。電子ビーム検出器１１から放出された光、すなわち試料７の光学像は、リレーレンズ１２を透過して、ＣＣＤ等の撮像素子１３に入射される。撮像素子１３に入射した光は、光電信号に変換されて制御部１４に伝達される。
なお、本実施例においては、電子銃１、照明レンズ２、３、イー・クロス・ビー４、カソードレンズ６が照射手段となっており、カソードレンズ６、イー・クロス・ビー４、結像レンズ前群８、結像レンズ後群１０が写像手段となっている。
【００２０】
次に図２にて、本発明による写像型電子顕微鏡の写像手段の一実施例を示す。同図は、写像手段を通過する電子ビームの軌道を、Ｘ方向（電場方向）とＹ方向（磁場方向）に分けて表した図である。更に、試料７から放出される写像用電子ビームを、実線で示す主光線Ｋ１と、破線で示す周辺光Ｋ２とに分けて表した。ここで周辺光Ｋ２は、開口絞り５より無限遠系で射出された軸上周辺光である。以下同図にて、第１スティグメータ１６と第２スティグメータ１７による非点隔差及び倍率隔差の補正について詳しく説明する。試料７から放出された電子ビームは、カソードレンズ６、開口絞り５を通過した後、イー・クロス・ビー４に入射する。前述したように、イー・クロス・ビー４内の電子ビームは、イー・クロス・ビー電場方向４Ｘでは凸パワーを受け、イー・クロス・ビー磁場方向４Ｙではノーパワーである。これにより、電場方向に対し磁場方向に非点隔差及び倍率隔差が発生する。イー・クロス・ビー４を通過した電子ビームは、以後、第１スティグメータ１６、結像レンズ前群８、第２スティグメータ１７の順に通過した後、中間結像面Ｍに像を形成する。この中間結像面Ｍは、視野絞り９の位置である。
【００２１】
ここで、第１スティグメータ１６はイー・クロス・ビー４の近傍に配置され、第２スティグメータ１７は結像レンズ前群８と中間結像面Ｍの間に配置されている。そのため、第１スティグメータ１６位置での主光線Ｋ１の入射高と周辺光Ｋ２の入射高との隔たりと、第２スティグメータ１７位置での主光線Ｋ１と周辺光Ｋ２との隔たりとは大きく異なる。こうして、イー・クロス・ビー４で発生した両隔差のうち、非点隔差については主に第１スティグメータ１６で効率良く補正し、倍率隔差については主に第２スティグメータ１７で効率良く補正することができる。
【００２２】
具体的には、第１スティグメータ１６において、周辺光Ｋ２の非点隔差を補正するように、第１スティグメータ電場方向１６Ｘに凹パワーが発生し、第１スティグメータ磁場方向１６Ｙに凸パワーが発生するような電圧を印加する。このとき、主光線Ｋ１については、過剰補正となるため、電場方向に拡大された倍率隔差が生じる。この倍率隔差は、所定条件に基づく数値解析によれば、磁場方向の倍率を１としたとき、電場方向の倍率は１．２となる。
このように第１スティグメータ１６で発生した過剰補正された主光線Ｋ１を更に補正するために、第２スティグメータ１７では、第２スティグメータ電場方向１７Ｘに凸パワーが発生し、第２スティグメータ磁場方向１７Ｙに凹パワーが発生するような電圧を印加する。
【００２３】
以上のように本実施例では、第１スティグメータ１６による補正と、第２スティグメータ１７による補正のバランスをとることによって、非点隔差と倍率隔差を同時に効率良く補正することができる。
なお、本実施例では、イー・クロス・ビー４にて発生する隔差の補正について述べたが、その他の原因で発生する隔差、すなわち、機械的公差や経時汚染等による隔差についても、第１スティグメータ１６、第２スティグメータ１７の印加電圧を調整することによって、容易に補正することができる。
【００２４】
また、本実施例の写像手段では、イー・クロス・ビー４、第１スティグメータ１６、第２スティグメータ１７による合成の凸パワーが発生するが、結像レンズ前群８の焦点距離、すなわち、凸パワーの調整によって、狙いの倍率と全長を確保することができる。そして、このように倍率と全長が最適に確保された写像手段を用いれば、収差の少ないテレセントリック光学系を構成することもできる。
また、本実施例の写像型顕微鏡では、非点隔差を発生させずに、縦横比の等しい像を形成したが、予め定めた縦横比の異なる像を形成することもできる。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように本発明では、いかなる非点隔差及び倍率隔差も補正可能で、低コストで高分解能な耐久性に優れた写像型顕微鏡を提供することができる。
すなわち、製造が容易な低コストタイプのイー・クロス・ビーを使用しても、そこで発生する非点隔差と倍率隔差を容易且つ確実に同時補正できる写像型電子顕微鏡を提供することができる。また、製造誤差等の機械的要因で発生する非点隔差と倍率隔差も同時補正できるので、装置全体の機械公差が緩く、製作が容易な写像型電子顕微鏡を提供することができる。また、照射粒子等の汚染で発生する非点隔差と倍率隔差も同時補正できるので、経時変化に対する耐久性の高い写像型電子顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による写像型電子顕微鏡を示す図である。
【図２】本発明の一実施例による写像手段を示す図である。
【図３】従来の写像型電子顕微鏡を示す図である。
【図４】従来のイー・クロス・ビーを示す図である。
【図５】４重極子成分を重畳させたイー・クロス・ビーを示す図である。
【符号の説明】
１…電子銃２、３…照明レンズ
４…イー・クロス・ビー５…開口絞り
６…カソードレンズ７…試料
８…結像レンズ前群９…視野絞り
１０…結像レンズ後群
１１…電子ビーム検出器１２…リレーレンズ
１３…撮像素子１４…制御部
１６…第１スティグメータ
１７…第２スティグメータ
２０…ヨーク２１ａ、２１ｂ…電極
２２ａ、２２ｂ…コイル
Ｓ…照射用電子ビームＫ…写像用電子ビーム
Ｍ…中間結像面

Claims

照射用電子線を試料面に照射させる照射手段と、
前記照射用電子線の光路を切り替える光路切替手段と、
前記照射用電子線及び前記試料面から放出される写像用電子線が通過する開口絞りと、
前記写像用電子線が中間結像を形成する視野絞りと、
前記写像用電子線を電子線検出手段に結像させる写像手段とを備えた写像型電子顕微鏡において、
前記写像手段は、複数のスティグメータを有し、
該複数のスティグメータのうちの少なくとも２つのスティグメータは、前記開口絞り、前記視野絞り、前記光路切替手段又はこれらの共役位置と、前記開口絞り、前記視野絞り、前記光路切替手段又はこれらの共役位置と異なる位置とにそれぞれ配置されたことを特徴とする写像型電子顕微鏡。
照射線源から発する照射用電子線を照射光学系を介して光路切換手段に入射させ、該光路切換手段及び開口絞りを通過した前記照射用電子線を対物光学系を介して試料面に入射させ、該試料面から放出される写像用電子線を前記対物光学系を介して前記開口絞り及び前記光路切換手段に入射させ、該光路切換手段によって前記照射線源に至る方向とは異なる方向に前記写像用電子線を導き、前記光路切換手段を通過した後の前記写像用電子線を視野絞りにて中間結像を形成させ、さらに前記写像用電子線を結像光学系を介して電子線検出手段に入射させる写像型電子顕微鏡において、
前記結像光学系は、複数のスティグメータを有し、
該複数のスティグメータのうちの少なくとも２つのスティグメータは、前記開口絞り、前記視野絞り、前記光路切替手段又はこれらの共役位置と、前記開口絞り、前記視野絞り、前記光路切替手段又はこれらの共役位置と異なる位置とにそれぞれ配置されたことを特徴とする写像型電子顕微鏡。
前記少なくとも２つのスティグメータは、前記光路切換手段と、前記視野絞りとの間に配置されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の写像型電子顕微鏡。
前記少なくとも２つのスティグメータの間に、静電レンズを設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の写像型電子顕微鏡。
前記スティグメータは、静電型８極子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の写像型電子顕微鏡。