JP4896626B2 - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は走査電子顕微鏡、特に試料に照射された電子の電流を制御するような走査電子顕微鏡に関する。

走査電子顕微鏡は、電子源から発生した電子ビームを集束レンズおよび対物レンズにて細く絞り、二次元的に試料上を走査しながら照射することにより試料から発生した二次電子を検出し、その検出信号を電子ビームの走査と同期して処理することで試料の走査像を形成する装置である。

この走査電子顕微鏡において、電子ビームの量を制御するために、例えば、電子ビームを集束させる第１コンデンサレンズと第２コンデンサレンズとの間に、散乱防止用の絞りを設け、また、第２コンデンサレンズの後段に、対物レンズ絞りを設けたものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特開平８−２４１６８９号公報（図６）

走査電子顕微鏡においては、試料像を取得するにあたり倍率や加速電圧などの条件以外に、近年、試料に照射される照射電流が重要視されるようになってきた。

半導体を検査するにあたりパターンの微細化に伴い走査電子顕微鏡を利用する機会が増えてきている。半導体を検査するためにはスループットが重要であり、必然的に試料像の撮像時間も短くする必要があるが、検査するための画像には、ある程度以上のＳ／Ｎが必要である。そこで、撮像時間を短くしてＳ／Ｎを落とさないようにするために、照射電流を増やすことで試料から発生する電子を増加させることが考えられている。

このように、照射電流を増やすと、電子ビームは太くなってしまい、結果として試料像の分解能が低下する。このため、スループット優先の場合は、照射電流を増やし、分解能優先の場合は、照射電流を減らすような切り替えを行う必要がある。

照射電流を切り替える方策として、電子源における引出し電圧を変化させるという方法がある。半導体検査装置などで使用されているショットキーエミッション電子源などの場合は、フィラメント電流やサプレッサ電圧を変化させる方法もある。これらの方策では、照射電流の変化範囲は、２〜５倍程度であるので、大きな照射電流の切り替えができない。

そこで、照射電流を大きく切り替える方策として、集束レンズの強度を変化させることにより、絞り板を通過する電子を変化させるものがある。この方策によれば照射電流を２〜３桁程度に変化させることが可能になる。

しかしながら、この方策では、大きな照射電流を得ようとして集束レンズのクロスオーバー点（フォーカス点）が絞り板の絞り穴に近づくことで急激に照射電流が変化してしまい、集束レンズの強度を精度良く制御しなければならないという問題があった。

本発明は、集束レンズの強度を変化させて照射電流を変化させるに際して、集束レンズの強度変化に対して、照射電流の急激な変化を抑えることができる走査電子顕微鏡を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、第１の発明は、電子ビームを発生させる電子源と、前記電子ビームを集束させるための第１及び第２の集束レンズと、前記電子ビームを試料上に細く絞るための対物レンズと、前記試料上を二次元的に走査するための偏向系と、前記電子ビームの照射により前記試料から発生した二次電子を検出するための検出系を具備した走査電子顕微鏡において、前記第１及び第２の集束レンズとの間に、前記試料側に前記電子ビームの不要部分を遮断するための第１の絞り板と第２の絞り板を、前記第１の集束レンズ側から順次配置するとともに、前記第１及び第２の絞り板を通る電子の量を変化させるように前記第１及び第２の集束レンズの強度を制御する制御手段を備え、前記第２の絞り板は、前記制御手段が前記第１の集束レンズのフォーカス点を前記第１の絞り板近傍まで近づけるように前記集束レンズの強度を制御した際に、前記第１の絞り板を通過した前記電子ビームの不要部分を遮断するものである。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記試料側に配置した第２の絞り板の絞り穴径は、前記電子源側に配置した第１の絞り板の絞り穴径より大きく設定したものである。

更に、第３の発明は、第１の発明において、前記試料側に配置した第２の絞り板の絞り穴径は、前記電子源側に配置した第１の絞り板の絞り穴径と等しく設定したものである。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明のいずれかにおいて、前記各絞り板は、前記電子ビームの通る光軸に対して垂直な平面を二次元的に移動可能な機構を具備しているものである。

本発明によれば、照射電流を変化させる目的で集束レンズの強度を変化させた場合に、クロスオーバー点が絞り板近傍にて変化したとしても、照射電流の急激な変化を抑えることができるので、照射電流の切り替え使用は可能となり、走査電子顕微鏡の汎用性を向上させることができる。

以下、本発明の走査電子顕微鏡の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の走査電子顕微鏡の一実施の形態を示す基本構成を示す図である。この図１において、電子源である陰極１と第一陽極３とには、マイクロプロセッサ（CPU）４０で制御される高電圧制御電源３０が接続されている。陰極１と第一陽極３との間には、サプレッサ電極２が配置されている。

第一陽極３の後段側には、第二陽極４が配置されている。陰極１と第二陽極４とには、マイクロプロセッサ４０で制御される高電圧制御電源３０が接続されている。第二陽極４の後段側には、第一集束レンズ６が配置されている。この第一集束レンズ６は、レンズ制御電源３１で制御される。第一集束レンズ６の内側には、アライメントコイル７が配置されている。このアライメントコイル７は、アライメントコイル電流制御電源３２によって制御される。

第一集束レンズ６の後段側には、散乱電子の試料側への侵入を防止するための第１の絞り板８ａと第２の絞り板８ｂとが順次試料１５方向（図１の下方向）に配設されている。この第２の絞り板８ｂの絞り穴径は、第１の絞り板８ａのそれよりも大きく設定されている。

第２の絞り板８ｂの後段側には、第二集束レンズ９が配置されている。この第二集束レンズ９はレンズ制御電源３３によって制御される。この第二集束レンズ９の付近には、非点補正器１０が配置されている。この非点補正器１０は、非点補正器制御電源３４によって制御される。

第二集束レンズ９の後段側には、走査偏向器１１が配置されている。この走査偏向器１１は、走査偏向器制御電源３５によって制御される。走査偏向器１１の後段側には、フィールド発生装置１２（イークロスビー：Ｅ×Ｂ）が配置されている。このフィールド発生装置１２の側方には、二次電子検出器１３が配置されている。この二次電子検出器１３による検出信号は、電子ビーム５の走査と同期してマイクロプロセッサ４０にて処理されて、像表示装置３６に試料像として表示される。

フィールド発生装置１２の後段側には、対物レンズ１４が配置されている。この対物レンズ１４は、対物レンズ制御電源３７によって制御される。この対物レンズ１４の下方に試料１５が配置されている。

次に、上述した本発明の走査電子顕微鏡の一実施の形態の動作を説明する。
電子源である陰極１と第一陽極３との間に、マイクロプロセッサ（CPU）４０で制御される高電圧制御電源３０によって、引出電圧が印加されると、所定のエミッション電流の電子ビーム５が、陰極１から引き出される。

次に、陰極１と第二陽極４との間に、マイクロプロセッサ４０で制御される高電圧制御電源３０により加速電圧が、陰極１と第二陽極４との間に印加されると、陰極１から放出された電子ビーム５は加速されて、後段のレンズ系に進行する。

電子ビーム５は、レンズ制御電源３１で制御された第一集束レンズ６で集束され、絞り板８ａにより電子ビーム５の不要な領域が制限される。その後、電子ビーム５はレンズ制御電源３３で制御された第二集束レンズ９および対物レンズ制御電源３７で制御された対物レンズ１４により試料１５に細く絞られる。

そして、観察倍率に応じた走査信号を走査偏向器制御電源３５により制御して走査偏向器１１に与えることにより、試料１５は電子ビーム５で二次元的に走査されるとともに、非点補正器制御電源３４により制御される非点補正器１０によって、電子ビーム５の非点収差が補正される。

電子ビーム５の照射によって試料１５から発生した二次電子１６は、対物レンズ１４を通ってフィールド発生装置１２（イークロスビー：Ｅ×Ｂ）に導かれる。このフィールド発生装置１２により、電子ビーム５は偏向されずに、二次電子１６が二次電子検出器１３の方向に偏向され、二次電子検出器１３により検出される。その検出信号は、電子ビーム５の走査と同期してマイクロコンピュータ４０にて処理されて、像表示装置３６に試料像として表示される。

上述した電子ビームの照射過程において、第一集束レンズ６のクロスオーバー点が、第１の絞り板８ａより電子源側に設定された場合には、図２に示すように、第１の絞り板８ａの絞り穴径は、第２の絞り板８ｂのそれよりも小さく設定されているので、電子ビーム５は、第１の絞り板８ａによりほとんどの部分が制限され、第１の絞り板８ａ及び第２の絞り板８ｂを通過する電子ビーム５の量が少なくなり、試料１５に照射される照射電流を小さくすることができる。

また、第一集束レンズ６の制御によって、クロスオーバー点が、第２の絞り板８ｂの付近に設定された場合には、図３の示すように、上述した絞り穴径の関係に基づいて、電子ビーム５は第１の絞り板８ａにほとんど制限されることなく、第１の絞り板８ａの絞り穴を通して試料１５側に通過する。

このため、試料１５に照射される照射電流は大きくなる。しかし、第２の絞り板８ｂにより、電子ビーム５が制限されているため、極端に照射電流が大きくなることを抑えることができる。

図４は、第一集束レンズ６を電磁コイルとした場合のコイル電流Ｘと試料１５への照射電流Ｙの関係を示した特性図を示すもので、この図３中の細線イは、第２の絞り板８ｂがない場合（１段絞りの場合）で、太線ロは、第１の絞り板８ａと第２の絞り板８ｂを備えた場合（２段絞りの場合）の特性曲線である。この例においては、第２の絞り板８ｂの絞り穴径は、第１の絞り板８ａのそれに比べ２．５倍で、第１の絞り板８ａと第２の絞り板８ｂの距離は２０ｍｍとして計算している。
この図４に示されているように、第一集束レンズ６のコイル電流Ｘを下げていくにつれ、クロスオーバー点が第１の絞り板８ａに近づいていくため、照射電流量が増えているのが分かる。図４中のＡの範囲より第一集束レンズ６のコイル電流Ｘが大きい場合は、第一集束レンズ６のコイル電流Ｘの変化に対し、照射電流Ｙの変化は大きくないが、Ａの範囲になると、１段絞りの場合は照射電流Ｙの変化が大きくなる。

つまり、第一集束レンズ６のコイル電流Ｘの設定精度が良くないと、照射電流Ｙが設定値より大きくずれてしまう恐れがある。第２の絞り板８ｂを第１の絞り板８ａの試料側に配置して２段絞りの構成とすることにより、第一集束レンズ６のコイル電流Ｘの変化に対し照射電流Ｙの変化が大きくなるＡの範囲でも、第２の絞り板８ｂにより、電子ビーム５を制限することができるようになるので、第一集束レンズ６のコイル電流Ｘの変化に対し、照射電流Ｙの変化が大きくならなくなる。

前述したように、第一集束レンズ６の後段側に、絞り板を２段絞り構成とすることにより、照射電流Ｙを大きく変える場合に、第一集束レンズ６の強度の設定精度を高精度なものにする必要がなくなる。細かく照射電流Ｙを設定するには、図１の第一陽極３に印加される引出電圧や、サプレッサ電極２に印加されるサプレッサ電圧を高電圧制御電源３０を介して制御することにより可能となる。

本発明の実施の形態によれば、照射電流を変化させる目的で集束レンズの強度を変化させた場合に、クロスオーバー点が絞り板近傍にて変化したとしても、照射電流の急激な変化を抑えることができるので、照射電流の切り替え使用は可能となり、走査電子顕微鏡の汎用性を向上させることができる。

図５は、本発明の走査電子顕微鏡の他の実施の形態を示す基本構成を示す図で、この図５において、図１と同符号のものは同一部分であるので、その詳細な説明は省略する。
この実施の形態は、第１の絞り板８ａと第２の絞り板８ｂとに、電子ビーム５の通る光軸に対してアライメント（調整）するための移動調整装置５０をそれぞれ設けたものである。この調整装置５０は、第１の絞り板８ａと第２の絞り板８ｂとが、光軸に対して垂直な平面を二次元的に移動可能にするものである。

移動調整装置５０の詳細な構成を図６を用いて説明するが、説明の便宜上、第１の絞り板８ａの移動調整装置５０について説明する。第１の絞り板８ａは絞り板受け部５１に固定されている。絞り板受け部５１は、絞り板支持部５２内の軸(図示せず)の一端に固定されている。絞り板支持部５２の多端側には、絞り板支持部５２内の軸(図示せず)の多端側に連結したつまみ５３が設けられている。このつまみ５３を回すことにより、第１の絞り板８ａを前後方向（図５の左右方向）に移動させることができる。

絞り板支持部５２の中間部は、垂直軸５４によってハウジング５５に揺動可能に支持されている。ハウジング５５には、先端が絞り板支持部５２に当接するつまみ５６が設けられている。絞り板支持部５２とハウジング５５との間におけるつまみ５６と対向する部分には、戻し用のばね（図示せず）が設けられている。つまみ５６を回すことにより、第１の絞り板８ａを垂直軸５４回りに揺動させることができる。

２段配置された第１の絞り板８ａと第２の絞り板８ｂの光軸に対するアライメントは、まず、第１の絞り板８ａを移動調整装置５０により離軸させ、絞り穴径の大きい第２の絞り板８ｂのアライメントを行う。その後、第１の絞り板８ａを挿入し、この第１の絞り板８ａのアライメントを行う。

第１の絞り板８ａおよび第２の絞り板８ｂのアライメントは、第一集束レンズ６付近に配置されたアライメントコイル７にアライメントコイル電流制御電源３２にて制御された走査信号を与えて、電子ビーム５が絞り板８ａ、８ｂの絞り穴を通過する場所が中心になるように移動調整装置５０により調整することで可能である。微調整はアライメントコイル７に偏向させる磁場を発生するようにアライメントコイル電流制御電源３２にて制御してコイル電流を流すことにより可能となる。

上述した本発明の実施の形態によれば、絞り板を２段位置構成したことにより、散乱電子の試料１５への照射を少なくするという別の効果もある。この点を図７を用いて説明する。この図７において、図２と同符号のものは同一部分である。
電子源側に配置されている第１の絞り板８ａには、主ビームである電子ビーム５以外に電子源などで発生した散乱電子２０ａ、２０ｂなどが照射される。散乱電子２０ａは、第１の絞り板８ａにて制限することができているが、散乱電子２０ｂは第１の絞り板８ａの絞り穴を通過してしまい、第１の絞り板８ａでは制限することができない場合がある。

しかしながら、第１の絞り板８ａの試料１５側に、第２の絞り板８ｂが配置されていることにより、第１の絞り板８ａの絞り穴を通過した散乱電子２０ｂを、第２の絞り板８ｂにて制限することが可能となる。これにより散乱電子２０ａおよび散乱電子２０ｂの試料１５への照射を防止することが可能となる。

さらに、電子ビーム５の第１の絞り板８ａへの照射により、第１の絞り板８ａの絞り穴の側面より発生した散乱電子２１も、第１の絞り板８ａの試料１５側に配置した第２の絞り板８ｂにより制限することができ、散乱電子２１の試料１５への照射を防止することが可能である。

なお、上述の実施の形態において、第１の絞り板８ａの絞り穴径を、第２の絞り板８ｂのそれよりも小さく設定したが、第２の絞り板８ｂの絞り穴径を第１の絞り板８ａの絞り穴径と等しくすることも可能である。この場合にも、前述した実施の形態と同様な効果を得ることができる。

本発明の走査電子顕微鏡の一実施の形態を示す基本構成を示す図である。 本発明の走査電子顕微鏡の一実施の形態を構成する絞り板の一作用を説明する拡大図である。 本発明の走査電子顕微鏡の一実施の形態を構成する絞り板の他の作用を説明する拡大図である。 本発明の走査電子顕微鏡の一実施の形態における第一集束レンズコイル電流Ｘと試料への照射電流Ｙとの関係を示す特性図である。 本発明の走査電子顕微鏡の他の実施の形態を示す基本構成を示す図である。 図５に示す本発明の走査電子顕微鏡の他の実施の形態に用いた絞り板移動調整装置の概略図である。 本発明の走査電子顕微鏡の一実施の形態を構成する絞り板の他の作用を説明する拡大図である。

符号の説明

１ 陰極
２ サプレッサ電極
３ 第一陽極
４ 第二陽極
５ 電子ビーム
６ 第一集束レンズ
７ アライメントコイル
８ａ 第１の絞り板
８ｂ 第２の絞り板
９ 第二集束レンズ
１０ 非点補正器
１１ 走査偏向器
１２ フィールド発生装置
１３ 二次電子検出器
１４ 対物レンズ
１５ 試料

Claims (4)

1. 電子ビームを発生させる電子源と、前記電子ビームを集束させるための第１及び第２の集束レンズと、前記電子ビームを試料上に細く絞るための対物レンズと、前記試料上を二次元的に走査するための偏向系と、前記電子ビームの照射により前記試料から発生した二次電子を検出するための検出系を具備した走査電子顕微鏡において、
   前記第１及び第２の集束レンズとの間に、前記試料側に前記電子ビームの不要部分を遮断するための第１の絞り板と第２の絞り板を、前記第１の集束レンズ側から順次配置するとともに、前記第１及び第２の絞り板を通る電子の量を変化させるように前記第１及び第２の集束レンズの強度を制御する制御手段を備え、
   前記第２の絞り板は、前記制御手段が前記第１の集束レンズのフォーカス点を前記第１の絞り板近傍まで近づけるように前記集束レンズの強度を制御した際に、前記第１の絞り板を通過した前記電子ビームの不要部分を遮断する
   ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 前記試料側に配置した第２の絞り板の絞り穴径は、前記電子源側に配置した第１の絞り板の絞り穴径より大きく設定した
   ことを特徴とする請求項１に記載の走査電子顕微鏡。
3. 前記試料側に配置した第２の絞り板の絞り穴径は、前記電子源側に配置した第１の絞り板の絞り穴径と等しく設定した
   ことを特徴とする請求項１に記載の走査電子顕微鏡。
4. 前記各絞り板は、前記電子ビームの通る光軸に対して垂直な平面を二次元的に移動可能な機構を具備している
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の走査電子顕微鏡。

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