JPH0251052A - 荷電ビーム観察装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、微細ＬＳＩプロセスなどで形成されるスルー
ホール等の凹部を有する試料の内部から発生する２次電
子の像観察のための荷電ビーム観察装置に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

微細ＬＳＩプロセスにおいて、スルーホールや容量性溝
等の凹部を有する試料（以下「スルーホール」と総称す
る）の底のレジスト残り等に起因する配線の断線現象が
問題となっており、スルーホールの底を観察できる荷電
ビーム観察装置が必要となってきている。

試料の２次電子像が観察可能な荷電ビーム観察′４装置
の一例として、「古屋寿宏、大高正、山田理、森弘義、
山田満彦、渡部忠男１石川勝彦ｒＦＥＢ測長装置Ｓ−６
０００Ｊ日本学術振興会第１３２委員会第９３回研究会
資料（６０，１１，８〜９）、１ページ（１９８５）」
に掲載されている荷電ビーム観察装置の鏡筒部分を第６
図に示す。同図において、１は陰極、２は第１陽極、３
は第２陽極、４は集束レンズ、５は偏向コイル、６は２
次電子検出器、７は対物レンズ、８は試料、９は陰極ｌ
から放出された電子（以下「１次電子」という）、１０
は試料８から放出された電子（以下「２次電子」という
）、１１は集束レンズ４によって作られる電子銃（陰極
）１のクロスオーバの投影像（以下「中間クロスオーバ
」という）である。１次電子９は、集束レンズ４および
対物レンズ７のレンズ作用により試料８の上面に集中す
る。１次電子９の試料面上での集束点の位置は偏向コイ
ル５によって制御される。１次電子９の衝突により試料
８から発生した２次電子１０は対物レンズ７中を通過し
、２次電子検出器６によって検出される。偏向コイル５
を用いて１次電子９を試料８上で走査しながら、２次電
子検出器６で２次電子１０を検出することにより、試料
８面の２次電子像を観察することができる。

第６図の装置において、スルーホールの底に１次電子９
を照射したとき、スルーホール底から発生し、スルーホ
ール外に出る２次電子１０の電流ＩＳは以下の式で示さ
れる。

Ｉｓ＝δ・１ｐ−ｓｉｎθ・・・・・（１）ここで、δ
は２次電子放出比、Ｉｐは１次電子９の電流であり、δ
・Ｉｐは試料８から発生する全２次電子の電流である。

θはスルーホール底の中心から穴の縁を見込む角度（以
下「スルーホール」の見込み角」という）である。スル
ーホールが円筒形の場合、θは第７図で定義される。第
７図において、２１は試料８に開いたスルーホール、２
２はスルーホール２１の中心軸、２３はスルーホール２
１の底の中心、２４はスルーホール２１の縁、２５は中
心２３と縁２４を結ぶ直線である。

式（１）の導出の際、２次電子１０の放出角度分布はラ
ンバートのコサイン則（ｌａＩｌｂｅｒｔのＣ０３則）
を仮定した。これについては、例えば「電子ビームテス
ティングハンドブック、日本学術振興会荷電粒子ビーム
の工業への応用第１３２委員会第９８回研究会資料１１
７ページ」を参照されたい。

微細ＬＳＩプロセスで形成するスルーホールにおいて、
スルーホールの見込み角θは５度程度である。このため
スルーホールから出る２次電子の電流Ｉｓと試料８から
発生する全２次電子の電流δ・Ｉｐとの比Ｉｓ／（δ・
Ｉｐ）は０．１以下となる。すなわち、２次電子検出器
６で検出されるスルーホール底の２次電子信号は、試料
８表面の２次電子信号に比べて１桁以上小さくなってい
る。

したがって、第６図の装置でスルーホール底の２次電子
像を観察する場合、１次電子９の電流Ｉｐを、試料８表
面を観察するのに通常用いている値より１０倍以上大き
くする必要がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、以上述べてきた従来の荷電ビーム観察装置にお
いて、スルーホールの底を観察するために電流１ｐを大
きくすると、試料８へ入射する１次電子９のビーム開き
角αが１　ｐ　ｌ　／　Ｚに比例して太き（なり、球面
収差がα３（＝■ρ３′りに比例して増大する。たとえ
ば、１次電子９の電流Ｉｐを通常値の１０倍大きくする
と、球面収差が１ｏ３／Ｚ＝３２倍大きくなる。このた
め試料上での１次電子９のビーム直径が急激に大きくな
り、観察される２次電子像の空間分解能が著しく低下す
るという問題があった。

〔課題を解決するための手段〕

このような課題を解決するために本発明は、荷電ビーム
を試料に照射し、試料表面からの２次電子を検出して試
料表面を観察する荷電ビーム観察装置において、試料に
同かってほぼ収束する磁界を作る磁界発生機構を試料の
近傍に具備し、磁界の作る荷電ビームの収差が試料上の
荷電ビームの直径に比べて十分小さくなるように磁界の
強さを設定したものである。

〔作用〕

本発明による荷電ビーム観察装置は、大きな電子放出源
を収差なしに試料面上に縮小投影させる。

〔実施例〕

本衾囲曵凰理 まず、本発明の原理について説明する。第２図（ａｌの
ような回転対称の収束磁界中を運動する電子の軌道を考
える。第２図（ａ）において、３１および３２は磁力線
、３３は回転対称な収束磁界の中心軸である。下方を２
方向と定義すると、磁力線３１．３２は２方向に収束し
ている。３４は半径ｒ１の電子放出源、３５および３６
は磁界が作るレンズによって形成される電子放出源３４
の投影像であり、半径をそれぞれｒｔ、ｒ、で表わす。

３７は電子放出源３４から角度θ１で出発した電子であ
り、螺旋運動をしながら、中心軸３３をθ２．θ。

の角度で横切る。磁界が十分強い場合、磁気モーメント
の不変性（「奥田孝美、電磁力学、コロナ社、　１９７
２年、１０７ページ」参照）より、θ１．θ２、θ、に
は以下の関係が成り立つ。

ｓｉｎ”θ、／Ｂ、＝ｓｉｎ”θ２／Ｂ２＝ｓｉｎ”θ
３／Ｂ、・・・・（２） 第２図（ｂ）に、中心軸３３上の２方向の磁束密度Ｂｚ
（以下「軸上磁束密度ＢｚＪという）を示す。

軸上磁束密度Ｂｚは２が大きくなるにつれて増大してい
る。電子放出源３４での軸上磁束密度をＢＩ。

電子放出源３５での軸上磁束密度を８２、電子放出源３
６での軸上磁束密度を８３で表わす。

収束磁界をレンズとして考えｊことき、電子放出源３４
が像３５に投影される倍率Ｍ３．像３５が像３６に投影
される倍率Ｍ２は、式（２）を用いて、Ｍ　１　＝ｒ　
２／　ｒ　１　＝θＩ／θｚ＝　（Ｂ＋／Ｂｚ）　””
−＋３１Ｍｚ＝ｒ３／ｒＺ＝θ２／θ：＋＝　（ＢＺ／
Ｂ３）””−（４）と表わされる。ここで、θ１〜θ３
は十分小さいと仮定した。Ｂ　：＋　＞　Ｂ　ｚ　＞　
Ｂ　＋であるから、式（３）、　（４１より、収束磁界
は縮小レンズとして作用することがわかる。

一方、球面収差などのレンズ収差は一般に焦点距離が短
いほど小さくなる。焦点距離はレンズの像面−物面間距
離より短いため、第２図に示した収束磁界の場合、軸上
磁束密度を大きくし、電子放出源３４と像３５との距離
Ｚ＋、像３５と像３６との距離Ｚ２を数ｍｍ程度と短く
すれば、焦点距離は１ｍｍ以下となり、レンズの収差は
無視できる。電子放出源３４と像３５との間の平均軸上
磁束密度Ｂ０と電子３７のエネルギーＶ、距離ＺＩとの
間には以下の関係がほぼ成り立つ。

Ｂｏ＝２　π（２ｍ／ｅ）ｌ”Ｖ””／Ｚｌ　・・・−
（５）ここで、ｍは電子の質量、ｅは素電荷である。式
（５）を用いて、与えられた電子エネルギーＶに対して
、距離Ｚ、が数ｍｍとなるように平均軸上磁束密度Ｂ０
を選んでやれば、電子放出源３４と像３５との間のレン
ズ収差は無視できるほど小さくできる。たとえば、Ｖ＝
２５ｋＶ、　　ハ＝３ｍｍとしたとき、Ｂｏは約ＩＴと
なる。

以上より、回転対称の強い収束磁界中は、収差の無い縮
小レンズとして作用することがわかる。

本発明はこのことを利用して、荷電ビーム観察装置にお
いて、試料近傍に回転対称の強い収束磁界を発生させる
ための磁界発生機構を具備し、大きな電子放出源を収差
なしに試料面上に縮小投影させるものである。これによ
り、スルーホールを観察する際、１次電子の電流を大き
くしたまま、試料上での１次電子ビームの直径を小さく
でき、観察の空間分解能を向上させることができる。

大施開 次に、本発明による荷電ビーム観察装置の一実施例につ
いて説明する。第１図は、本発明による荷電ビーム観察
装置の一実施例の鏡筒の対物レンズ部分を示す構成図で
ある。ここに示した以外の部分は第６図の従来の荷電ビ
ーム観察装置と同様である。第１図において、４１は磁
界発生機構、４２は焦点合わせレンズ、４３は試料、４
４は１次電子、４５は１次電子４４の作るクロスオーバ
である。クロスオーバ４５は、第６図の従来の荷電ビー
ム観察装置における中間クロスオーバ１１に対応してい
る。４６および４７はクロスオーバ４５の投影像、４８
は光軸である。本装置は、焦点合わせレンズ４２と磁界
発生機構４１とが組み合わさって対物レンズの働きをす
ることを除いては従来の荷電ビーム観察装置と同様であ
り、同様な手順で試料４３の２次電子像を観察すること
ができる。

試料４３近傍に、後で構造を説明する磁界発生機構４１
を用いて、光軸に対して回転対称な収束磁界を発生させ
る。試料４３表面の光軸方向の磁束密度は約１．２Ｔで
ある。クロスオーバ４５がら出た１次電子４４は、焦点
合わせレンズ４２と試料４３との中間に一旦集束し、ク
ロスオーバの投影像４６を形成する。この際の焦点合わ
せレンズ４２の励磁電流は特願昭６２−２６３９６８号
に記載された方法で設定する。投影像４６を通過した１
次電子４４は、試料４３近傍に作られた収束磁界により
試料４３面上に集束し、クロスオーバの投影像４７を形
成する。この際、試料４３上の投影像４７は投影像４６
に比べて大幅に縮小される。また、試料４３近傍の収束
磁界での収差は無視できる程小さい。例えば、１次電子
４４の加速電圧を２５ｋＶとしたとき、投影像４６から
投影像４７への倍率は０．０５、試料４３近傍で発生す
る球面収差係数は０．７ｍｍとなる。このため、本発明
の実施例である荷電ビーム観察装置を用いて試料４３表
面を観察する場合、従来の装置に比べて空間分解能を１
桁以上向上させることができる。

以上より本装置では、１次電子４４の大電流化と空間分
解能の向上を両立させることができ、試料４３上に形成
されたスルーホールの底の鮮明な２次電子像観察が可能
となる。

次に磁界発生機構４１について説明する。第３図に磁界
発生機構４１の構造を示す。同図において、５１は磁界
発生機構４１を構成する磁路、５２は磁界発生機構４１
を構成するコイル、５３はステージ、５４および５５は
磁力線である。試料４３はステージ５３上に設置されて
いる。磁路５１の内径ｄは６ｍｍ、磁路５１のギャップ
Ｓは２ｍｍであり、コイル５２に２６００ＡＴの励磁電
流を流すと、試料４３の上面に１．２Ｔの磁束密度がか
かる。磁力線５４．５５は光軸４８に対して回転対称で
あり、試料４３に向かって収束している。磁路５１の外
部にある移動機構（図示せず）を用いることにより、ス
テージ５３を中心軸４８と垂直な方向に動かすことがで
きる。

コイル５２は第４図に示すような銅パイプで形成してい
る。同図において、６１は銅パイプ、６２は銅パイプで
囲まれた空間である。銅パイプの給水口６３に冷却用の
水を注入している。水は空間６２を通って排水口６４か
ら出る。銅バイブロ１から発生する熱は、パイプ中を通
る水を通してバイブ外に放出されるため、コイル５２の
温度はほとんど上昇しない。たとえば、コイル５２に２
６００ＡＴの励磁電流を流した場合、コイル５２の温度
上昇は３度以下である。以上の構造により、試料４３の
近傍に、回転対称で式（５）を満足する強い収束磁界を
形成することができる。

以上、試料に照射される荷電粒子が電子の場合を例に本
発明を説明してきたが、荷電粒子がガリウムイオンなど
電子以外の場合にも本発明が成り立つのは自明である。

また、焦点合わせレンズが磁界レンズの場合を例に本発
明を説明してきたが、焦点合わせレンズが静電レンズの
場合でも本発明が成り立つのは自明である。また、焦点
合わせレンズと試料との中間に形成されるクロスオーバ
の投影像が１個の場合を例に本発明を説明してきたが、
第５図に示すように投影像が７１．７２の２個の場合、
また投影像が３個以上の場合でも本発明が成り立つのは
自明である。また、磁界発生機構を磁路と銅パイプ製の
コイルで形成した場合を例にとり本発明を説明してきた
が、磁路と金属線、永久磁石、超伝導コイルなど他の手
段で磁界発生機構を形成した場合にも本発明が成立づる
ことは自明である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明による荷電ビーム観察装置は
、試料近傍に回転対称の強い収束磁界を発生させるため
の磁界発生機構を具備したことにより、回転対称の強い
収束磁界中は収差の無い縮小レンズとして作用するので
、大きな電子放出源を収差なしに試料面上に縮小投影さ
せることができる効果がある。

これにより、スルーホールを観察する際、１次電子の電
流を大きくしたまま、試料上での１次電子の直径を小さ
くでき、観察の空間分解能を１桁以上向−ヒさせること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による荷電ビーム観察装置の一実施例を
示す構成図、第２図は本発明の詳細な説明するための説
明図、第３図は第１図の装置の磁界発生機構の構造図、
第４図は第１図の装置のコイルの構造図、第５図は本発
明の他の実施例を説明するための構成図、第６図は従来
の荷電ビーム観察装置を示す構成図、第７図はスルーホ
ール底の中心からスルーホールの縁を見込む角度を説明
するための説明図である。 ４１・・・磁界発生機構、４２・・・焦点合わせレンズ
、４３・・・試料、４４・・・１次電子、４５・・・ク
ロスオーバ、４６．４７・・・投影像、４８・・・光軸
。 第７図 第５図 第６ 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 荷電ビームを試料に照射し、前記試料表面からの２次電
   子を検出して前記試料表面を観察する荷電ビーム観察装
   置において、前記試料に向かってほぼ収束する磁界を作
   る磁界発生機構を前記試料の近傍に具備し、前記磁界の
   作る前記荷電ビームの収差が前記試料上の前記荷電ビー
   ムの直径に比べて十分小さくなるように前記磁界の強さ
   を設定したことを特徴とする荷電ビーム観察装置。