JP4215282B2 - 静電対物レンズ及び電気走査装置を装備したｓｅｍ - Google Patents

Description

本発明は、
装置の光軸に沿って移動する電荷を帯びた粒子の一次ビームを発生させる粒子源と、
装置により照射される試料用の試料ホルダーと、
静電電極により試料ホルダーの付近の一次ビームの集束を形成させるための集束装置と、
一次ビームを偏向させるビーム偏向システムと、
集束装置の前に配置される検出手段であって、一次ビームの入射に応じて試料から放出される電荷を帯びた粒子のうち一次ビーム中の電荷を帯びた粒子の伝播方向に見えるものを検出する検出手段、
とを含む粒子-光学装置に関する。
この種の粒子-光学装置は、雑誌“Ｏｐｔｉｋ”のVol. 83, No.1（1989）,pp 30-40にあるＪ．Ｚａｃｈによる論文名称“Design of a high-resolution low-voltage scanning electron microscope”から周知である。
この種の装置は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）として知られている。ＳＥＭにおいて、調べられる試料の領域は、装置の光軸に沿って移動する、通常は電子である電荷を帯びた粒子の集束一次ビームにより走査される。ＳＥＭにおける電子ビームの加速電圧は、電子-光学カラムを移動する間に極く僅かな電子相互作用を確実にし、その結果この効果による電子ビームにおいてのみ僅かなエネルギーの広がりが起こるように、比較的高く選択されることが好ましい（例えば、約３０ｋＶの大きさ）。しかしながら、明らかに加速電圧の選択は調査すべき試料の性質に依存する。この加速電圧は比較的低い値であるべきであり（約１ｋＶの大きさ）、一次電子ビームによる試料への帯電を最小限にする。例えば、ＩＣ回路の電気的絶縁層の研究中や、若しくは特定の生物学試料の場合には、上記のことは起こるであろう。さらに、ある調査には、一次ビームの電子が僅かな深さだけ試料に浸透し、形成されるべき画像の良好なコントラストをもたらすことが望まれる。よって、電子ビームが比較的高い電圧で電子-光学カラムを横行するが、その後試料の直前では、比較的低い電圧へ減速されることがしばしば望まれる。
調査されるべき試料への照射により、実質的に低いエネルギー、例えばおおよそ１から５０ｅＶの大きさを有する電荷を帯びた粒子（一般的には二次電子）を放出する。上記二次電子のエネルギー及び/又はエネルギー分布は、試料の性質及び成分に関する情報を提供する。したがって、ＳＥＭは二次電子用の検出器を備えている。上記電子は一次ビームが入射された試料側で放出され、その後二次電子は一次電子の入射に対して後ろに移動する。したがって、検出器（例えば正電圧を有する電極を備えている）は二次電子の経路に配置され、よって後に移動し、二次電子は検出器の電極により捕捉され、検出器は検出された電流に比例した電気信号を出力する。よって、試料の画像（二次電子）は周知の方法で形成される。画像の品質を良くするために、特に画像が形成される速度及び信号に対するノイズ比、検出電流は、できるだけ大きいことが好まれる。
Ｚａｃｈによる引用論文では、ＳＥＭの形での粒子-光学装置（例えば論文中の図３及び図４を参照）が開示されており、試料ホルダーの付近にある一次ビームの集束を形成させる集束デバイスは、三つの静電電極により形成され、第一の電極（一次ビームの電子の伝播方向に観測される）は検出器と一致する。
今日、できるだけ小さくＳＥＭを組立てる傾向にある。経済的動機（一般的には、小さい装置の方がより経済的に製造可能である）は別として、移動性と必要とする空間が小さくて済むので、かかる小さな装置は、研究機器としてでなく、微小構造の形成用、例えば集積回路の製造用の道具としても利用可能であるという利点を有する。この分野では、小型化ＳＥＭは製造物の検査と同様に直接生産にも利用可能である。直接生産のためには、ＳＥＭは電子を利用して製造されるべきＩＣ上のパターンへの書込みに利用することができる。検査のためには、ＳＥＭは更なる粒子ビーム（例えば製造されるべきＩＣにおけるイオン打込み用のイオンビーム）により書込み中に関連する工程を観察するのに利用され、ＳＥＭを製造工程のある段階の実施後に、ＩＣのオンライン検査用に利用することも可能である。
ＳＥＭを小型化させるためには、静電対物レンズを利用することが魅力的である。なぜならかかる対物レンズは磁気レンズよりも小さくして組立てることが可能であるからである。このことは、冷却手段（レンズコイル用の冷却ダクト）が分配され、しかも磁気飽和を防止するために、レンズの磁気（鉄）回路は特定の最小体積を必要とするという事実による。さらに、試料空間での高真空に関する一時的な制約のため、静電電極（滑らかな金属表面として組立てられる）は、コイル、ワイヤ及び/又は真空リングがしばしば設けられる磁気レンズの表面よりも魅力的である。最終的に、粒子光学で知られているように、電界は磁界よりも重い粒子（イオン）によっては適切なレンズである。
引用論文に開示されているように、集束デバイスの前の二次電子検出器の配置は、ＳＥＭがＩＣの検査に利用されるときは利点があり、さらにピット形状の不規則性を観察するには容易である。このことは観察が、入射した一次電子に沿った同じラインに沿って行われるからである。さらに、対物レンズの側で試料の直接上に検出器を配置することは、検出器により対物レンズと試料の間の距離が、必要な解像度を有するように十分に小さい走査電子スポットのサイズを得るための電子源のかなりの縮小のために、できるだけ小さくすることを不可能にする。さらに、静電対物レンズがＳＥＭに利用されるときに、対物レンズの静電レンズ場は対物レンズの物理的境界を僅かに越えて、できるだけ試料と離れて延在するということがしばしば起こる。このことにより、試料から発散される二次電子が前記場により引き寄せされてしまう。例えば、対物レンズの側に配置された検出器は、一次電子が許容できないほどに影響を受けるかなり強い引力効果が必要であろう。この悪影響を与える効果は、対物レンズ上に検出器を配置させることにより避けなければならない。
たとえＺａｃｈによる引用論文に記載されているＳＥＭであっても、試料にわたる一次電子の走査運動が実現できるビーム偏向システムの性質、外観及び配置に関するさらなる詳細は提供されていない。引用論文は、論文内で説明された配置により達成された二次電子の検出効率に関しての情報を提供している。前記論文による検出効率の決定（論文のセクション３．６を参照）には、二次電子の全てのエネルギー上の統合が起こる。光軸の周りの試料の実質的な点状領域では、検出効率は６１％の値であると決定されている。
本発明の目的は、請求項１の導入部に記載されたような粒子-光学装置を提供することであり、二次電子の改善された検出効率が達成され、調査される若しくは加工される試料の十分な視界が維持される。このことを達成させるために、本発明による粒子-光学装置は、ビーム偏向システムが検出手段と集束デバイスの前記静電電極の間に配置され、しかもビーム偏向システムは相互に対向する成分を有する少なくとも二つの偏向電場による一次ビームを偏向させる電極を含むことを特徴とする。
説明した配置と二つの対向電場のあるビーム偏向システムの実現の結果として、傾斜点が対物レンズの中心、つまり対物レンズの電場のレンズ効果が位置していると仮定される領域の中心に配置される方法で、一次ビームを傾けることが達成された。このことは、走査移動により一次ビームを傾けるとき、ビームはレンズ電場の光軸を離れない若しくはほんの僅か離れ、その結果重要性のある更なるレンズ欠陥（つまり高次の欠陥）が起こらず、よってビームの傾斜変位は対物レンズ電極のアパーチャーの限定された大きさにより邪魔されないことを意味する。このことは、解像度の低下なしに、大きな視界を確保する。さらに、二つの対向電場から成るビーム偏向システムは、検出器に向かって移動する電子の経路が、その大部分（前記段階がない場合よりは大きい）が検出器表面に達し、その結果所望の高い検出効率が達成される方法で形付けられるような二次電子への効果を有する。
本発明による粒子-光学装置の実施例における集束デバイスは、静電電極により専ら一次ビームの集束が生じるように配置される。レンズの電場と同様にレンズの磁場を有するように、集束デバイス（つまり対物レンズ）を組立てることは可能である。しかしながら、磁気手段が全く存在しないことが望ましいという状況があり、この状況においては、例えば極端に小型化させる場合には、専ら電気的形で組立てられた対物レンズが望ましい。
本発明による粒子-光学装置の更なる実施例におけるビーム偏向システムは、電気的電極により専ら偏向電場が生じるように配置される。対物レンズの場合と同様に、偏向電場と同様に偏向磁場を有するように、ビーム偏向システムを組立てることは可能である。再び磁気手段が全く存在しないことが望ましい状況があり、したがってかかる状況においては、専ら電気システムとして組立てられるビーム偏向システムは魅力的である。
本発明による粒子-光学装置の別の実施例における検出手段は、一次ビーム用のボアを設けた検出表面を有する検出材料から成り、前記表面はビーム偏向システムのボアの最も大きな径と少なくとも同等である外径を有する。この段階は検出効率の更なる最適化を与える。検出表面が最も近い電極の近くに配置されたときは、検出される電子により感知される検出表面での空間角度は最大になり、よってさらに検出された電子電流になる。
本発明による粒子-光学装置の更なる実施例における検出材料には、さらなる静電加速電極が設けられる。すでに述べたように、電子ビームは比較的高い電圧で粒子-光学カラムを横行し、しかも試料の前では比較的低い電圧へ減速されることがしばしば望まれる。例えば、一次ビームが１ｋＶのエネルギーで試料（接地されている）に達することが望まれるならば、電子源は地面に対して-１ｋＶの電圧へ調整される。例えばさらに静電加速電極へ９ｋＶの電圧を印加することにより、一次ビームは１０ｋＶの電圧で電子-光学カラムを移動し、端でわずか１ｋＶへ減速される。
対応する参照番号は対応する要素を示す図面を参照して、本発明を以下に詳細に説明する。
図１は、本発明による粒子-光学機器の関連する部分の線図である。
図２は、本発明による粒子-光学機器における幾つかの電子経路のコースを示す。
図３は、本発明による粒子-光学機器における検出効率のグラフを示す。
図１は本発明によるＳＥＭの関連する部分を示す。本発明に関係していないところでは、電子源及び、一次ビームを加速させ制御させる働きのある電子-光学カラムの部分を形成する全ての要素は、図示していない。図１に図示してない一次ビームは、ＳＥＭの光軸４に沿って移動する。それから一次ビームは、検出器結晶６、静電加速電極８、第一の電気的偏向電極１０、第二の電気的偏向電極１２、対物レンズの一部分を形成する第一の静電電極１４と対物レンズの部分をさらに形成する第二の静電電極１６を順次横行する。最終的に、一次ビームは調査される若しくは加工される試料１８に達する。
検出器結晶６は、一次ビームの入射に応じて試料から放出される電子の検出のための検出手段の一部分を形成する。この検出器結晶は、十分なエネルギーの電子の捕捉に応じて、光パルス（light pulse）を発生させる物質（例えば、セリウムドープイットリウムアルミニウムガーネットつまりＹＡＧ）から成る。この光パルスは光学ガイド手段（図示せず）によりさらに導かれ、オプト-エレクトリックトランスデューサで電気信号波形に変換され、必要ならば試料の画像が得られる。オプト-エレクトリックトランスデューサの要素は前記検出手段の一部分を形成する。検出器結晶６は一次ビームの通路用のボアが設けてある。
静電加速電極８は電極システム８，１４，１６の一部分を形成し、電極システムの電極１４及び１６は、一次ビームを集束させる役目をするＳＥＭの対物レンズを構成する。電極８は、一次ビーム用のボアを設け、特にシンチレーション結晶６の検出表面上に、例えばインジウム及び/又はすずの酸化物のような導電性酸化物の形で、検出材料上に堆積されたフラットな平面として形付けられる。電極８は、電源ユニット（図示せず）により所望の電圧に、例えば９ｋＶに調整される。
第一の電気的偏向電極１０及び第二の電気的偏向電極１２は、一次ビームを偏向させるためのビーム偏向システムの一部分を形成する。上記二つの電極のそれぞれは、真っ直ぐな円形シリンダーの形の外形と、ビームの方向に先細にされた円錐形の内形を有する管状部分として組立てられる。各電極１０及び１２は光軸を介して相互に垂直な平面に、二つのソーカット（sawcut）により四つの同等な部分にさらに分割され、その結果各電極１０及び１２はその部分間に適当な電圧差を印加することにより、ｙ方向だけでなくｘ方向の電気双極子場を発生させることができ、一次ビームは試料１８にわたって偏向され、検出器結晶の方向に移動する二次電子の経路は影響を受ける。電極１０及び１２を四つの部分にさらに分割することに代わり、さらに上記電極はかなり大きな数、例えば八つの同様な部分に、光軸を介して四つのソーカットによりさらに分割される。各電極のさまざまな部分へ適当な電圧を印加することにより、よって形成されたシステムはビームを偏向させるだけでなく、スチグマトールとしても利用できる。
第一の電極１４と第二の電極１６は、ＳＥＭの対物レンズを形成する電極システムを構成する。外部的にだけでなく内部的にも、電極１４は下に向かって先細りにされた円錐として形付けられ、その結果この電極は電極１６内に適合する。外部的にだけでなく内部的にも、さらに電極１６は下に向かって先細りにされた円錐として形付けられる。外部の円錐形はＩＣ製造用に利用され、３００ｍｍ径を有する円形ウエハのような比較的大きな試料の処理用の最適な空間を提供する。電極１６の外部円錐形のために、対物レンズの下にあるウエハに傾斜をつけることにより、対物レンズから突き出る部分によりウエハが邪魔されることなく、一次ビームは比較的大きな角度でウエハに当たることができる。図の点線２０は、対物レンズの電場（対物レンズの近軸中心）のレンズ効果が局在化していると推定される領域を示す。
かなり縮小されているので、対物レンズ１４、１６は、電子源が一般にはかなり縮小されて試料（接地）上に像が写され、すでに前述したように、試料１８の表面とレンズ２０中央の間の距離（焦点距離）がかなり短く、電極１６の外形が円錐でないのなら、傾斜の可能性は厳しく制限される。
図２は図１に粒子-光学機器での幾つかの電子経路のコースを示す。上記経路のコースはコンピュータシミュレーションにより得られた；このシミュレーションには以下の仮定を立てた：一次ビームが加速された電圧は１０ｋＶに達する；二次電子のエネルギーは１ｅＶである；二次電子は表面に平行な試料から放出される；試料は接地されている；検出器での電圧Ｖｄは９ｋＶに達する；電極１０の電圧は９+２＝１１ｋＶと９-２＝７ｋＶである；電極１２の電圧は９-１．８＝７．２ｋＶと９+１．８＝１０．８ｋＶである。
さらに電子経路の所望コースは、多重極電極１０と１２上の直流電圧の他の値と走査電圧（一般には時間の関数のようなのこぎりの刃状に変化する）を利用しながら実現される。前記他の値の選択は、以下の情報に基づいている。高倍率の調整も高解像度に必要であるが、高倍率にために像が写される面積は比較的小さい。電子光学カラムを移動している間は電子の前記相互作用のため、さらに外部摂動界（disturbing field）による電子ビームの影響は最小化されるべきであるので、高解像度は減速対物レンズ１４、１６のレベルでカラムの部分での比較的高い加速電圧を必要とする。上記高加速電圧は、例えば９ｋＶの前記値の比較的高い直流電圧で電極８、１０及び１２により形成させる組立体に供給されることにより達成される。大きな視界の場合に、直流電圧の高い値のために、さらに高い値が電極１０及び１２の走査電圧に必要である（１ｅＶに達する試料上の電子ビームのランディングエネルギーと３ｍｍの作用距離で、２ｘ２ｍｍ2の視界には２ｋＶ必要である）。しかしながら、高解像度露光の場合には僅かに小さな視界が走査される必要があるので、かかる場合には走査電圧の比較的低い（直流電圧に比較して）振幅（amplitude）が必要である。さらに計算により、かかる場合には電極１０及び１２上の９ｋＶの直流電圧で、ランディングエネルギーが１ｋｅＶであり、作用距離が３ｍｍである５０ｘ５０μｍ2の視界に対して、数十ボルト，例えば５０Ｖに達する振幅を利用することで足りることが分かる。
しかしながら、低倍率に調整されるときは、低倍率であるので低解像度で十分であり、像が写される面積は高解像度の場合よりは大きくなる。低い解像度が認められるので、走査電極１０及び１２のレベルでの電子ビームの加速電圧は、例えば１．５ｋＶ程に低く選択される。直流電圧の上記低い値のため、さらに電極１０及び１２での走査電圧は低い値で十分である；しかしながら、この場合には大きな視界を走査しなければならないので、走査電圧の比較的高い振幅が必要である。さらなる計算により、かかる場合には、２ｘ２ｍｍ2の視界で、１ｋｅＶのランディングエネルギーに対して数百ボルト、例えば５００Ｖの振幅が必要であることが分かる。
両ケース（高解像度と低解像度）とも必要とされる走査電圧の振幅は、最悪の場合の状況（つまり高電圧と大きな視界）に基づいた前記第一の２ｋＶの値よりは実質的に低いであろう。走査電圧のこの低い振幅はＳＥＭの組立と関連する電源装置に関して重要な利点を与える。例えば電源装置は、低い振幅のためにかなり小さくなるように組立られ、その安定性（わずかな最大振幅がこの装置により搬送される）は比例的に改善される。さらに、電極１０及び１２のさまざまな部分への供給ワイヤは、電気的破壊の危険のために一つのケーブルで容易に組立てられ、かかる組立体は２ｋＶの前記高い電圧の場合には実用的には不可能である。
検出器、偏向電極及び対物レンズにより初期に形成された組立体に進入する一次ビーム２２（図において点線のみで表わす）は、光軸４に沿って移動する。電極１０により発生した偏向電場の影響下で、電極１２により発生した対向する偏向電場の影響下で再び軸から偏向された後に、ビームは軸から離れて偏向される。結果として、一次ビームは偏向電極１０及び１２のかなり下の光軸と交差する。前述したように、ビーム偏向システムは二つの対向電場で作動する配置とその事実の結果として、傾斜点が対物レンズの中央平面２０に位置することが達成され、その結果一次ビームの走査運動の大きさに関係なく、大きな視界と最小の画像誤差が達成される。この現象は、偏向電場による偏向後に、一次ビームは中央平面２０の光軸４と交差することを示す図２において明らかに観測される。
試料１８上への一次ビーム２２の入射は、偏向システムと検出器電圧の対物レンズの電界の影響下で、上に向かって移動する試料からの二次電子を放出する。図はかかる二次電子の経路２４を示す。電子は、初期には試料表面平行に移動し、対物レンズのボアに引き込まれ、その後電子は偏向電場の影響を受けようになる。図は経路２６の進路への偏向電場の効果を示し、比較のために経路２８の進路への偏向磁場の効果も示す。明らかに図２は、最も好ましくない角度で試料から発散する二次電子でさえ、検出器結晶により捕捉される方法で、偏向電場により偏向されることを示す。検出器結晶により捕捉される効果は偏向磁場では達成されない。
図３は、光軸と二次電子が試料から離れる位置の間の距離の関数として、検出効率のグラフを示す。この状況は二次電子のエネルギーの三つの値、つまり１ｅＶ、２ｅＶ、と５ｅＶに対して示す。上のグラフは偏向電場が関係する場合に状況を示し、下のグラフは比較を目的として、偏向磁場が関係する場合の状況を示す。このグラフから、偏向電場の場合には９０％以上の検出効率が試料上に観測された領域の端（つまり光軸から約１．１ｍｍの距離まで）でも達成され、しかも上記値は偏向磁場を利用するときには、約５０％まで減少する。

Claims (5)

1. 粒子-光学装置であって、
   当該装置の光軸に沿って進行する電荷を帯びた粒子の一次ビームを発生させる粒子源と、
   当該装置により照射される試料用の試料ホルダーと、
   静電電極により前記試料ホルダー付近に前記一次ビームを集束させるための集束装置と、
   前記一次ビームを偏向させるためのビーム偏向システムと、
   前記集束装置の前に配置される検出手段であって、前記一次ビームの入射に応じて前記試料から放出される電荷を帯びた放出粒子のうち前記一次ビーム中の電荷を帯びた粒子の伝播方向に見えるものを検出する検出手段、を含む粒子-光学装置であって、
   前記ビーム偏向システムは前記検出手段と前記集束装置の前記静電電極との間に配置され、
   前記ビーム偏向システムは相互に対向する方向成分を有する少なくとも二つの偏向電場により前記一次ビームを偏向させる電極を含み、かつ
   前記検出手段は、前記ビーム偏向システムによって包囲された空間中を進行する前記放出粒子を検出する、
   ことを特徴とする粒子-光学装置。
2. 前記集束装置は前記静電電極により専ら一次ビームの集束を生じさせるように配置させることを特徴とする請求項１記載の粒子-光学装置。
3. 前記ビーム偏向システムは電極により専ら前記偏向電場を発生させるように配置させることを特徴とする請求項1若しくは2記載の粒子-光学装置。
4. 前記検出手段は、前記一次ビーム用のボアを備えた検出表面を有する検出材料を有し、前記検出表面の直径は前記ビーム偏向システムのボアの最大径よりも小さくない、ことを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれか１項記載の粒子-光学装置。
5. 前記検出材料にはさらなる静電加速電極が供されることを特徴とする請求項４記載の粒子-光学装置。

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