JPH0636724A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 比較的簡単な構成で収差を低減させて分解能
を向上させる。 【構成】 カソード１から放出された電子線を加速した
後に対物レンズ６を介してターゲット８上に集束する走
査型電子顕微鏡において、その電子線の加速領域に、そ
の対物レンズ８の持つ色収差の一部又は全部を相殺させ
る負の色収差を持つアパーチャレンズ３を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば走査型電子顕微
鏡、電子線露光装置又はイオンビームを用いたリペア装
置等の荷電粒子線装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば走査型電子顕微鏡、電子線露光装
置又はイオンビームを用いたリペア装置等の荷電粒子線
装置は、基本的に荷電粒子線源から放出された荷電粒子
線を加速した後に荷電粒子線光学系を介して試料上に導
く構成になっている。例えば走査型電子顕微鏡において
は、電子銃から放出された電子線が対物レンズ等により
試料上に集束されるが、そのターゲット上での電子線の
スポット径を小さくしてより分解能（解像度）を向上さ
せることが望まれている。また、例えば電子線露光装置
においては、電子線透過マスクの回路パターン等の像が
縮小レンズ等を介してターゲット上に所定の縮小率で結
像されるが、より微細な回路パターン等を小さい収差で
転写して分解能を向上させることが望まれている。

【０００３】従来、斯かる荷電粒子線装置の分解能を向
上させるために、電界放出型電子銃や電界放出イオン銃
を用いることによって、エネルギー拡り幅の小さい荷電
粒子線源を用いる方法、あるいは対物レンズの内部に試
料を入れるインレンズ型の機構を用いることによって荷
電粒子線光学系の色収差係数を小さくする方法が用いら
れていた。また、一般に対物レンズ等の荷電粒子線光学
系は正の収差を持つため、その正の収差を多極電極レン
ズや多電極ミラーの持つ負の収差で相殺する試みも行わ
れていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の如き従来の技術
に於いて、電界放出型電子銃あるいは電界放出イオン銃
を用いた場合でも、荷電粒子線のエネルギー幅は０では
なく、０．１〜１ｅＶ程度の有限の大きさを持ってい
る。従って、これらの荷電粒子線源を用いても色収差に
より分解能の向上に限界があるという不都合があった。

【０００５】また、インレンズ型対物レンズを用いた場
合も色収差係数は０ではなく、有限の値を有する。しか
も、インレンズ型対物レンズを用いた場合には試料ステ
ージの設計製作が困難であると共に、レンズの励磁電流
が極端に大きくなる不都合があった。一方、多極電極レ
ンズや多電極ミラーを用いる方法では、位置関係等の調
整が難しく、更に、軸対称ではないため偶数次の収差が
発生する不都合があった。

【０００６】本発明は斯かる点に鑑み、比較的簡単な構
成で収差を低減させて分解能を向上させることができる
荷電粒子線装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による荷電粒子線
装置は、例えば図１に示す如く、荷電粒子線源（１）か
ら放出された荷電粒子線を加速した後に荷電粒子線光学
系（６）を介してターゲット（８）上に導く荷電粒子線
装置において、その荷電粒子線の加速領域に、その荷電
粒子線光学系（８）の持つ色収差の一部又は全部を相殺
させる負の色収差を持つアパーチャレンズ（３）を配置
したものである。

【０００８】この場合、その荷電粒子線源（１）とその
アパーチャレンズ（３）との間に軸合わせ用の偏向手段
（９）を配置してもよい。また、そのアパーチャレンズ
（３）とその荷電粒子線光学系（６）との間にコンデン
サーレンズ（４）を配置し、このコンデンサーレンズ
（４）で拡大又は縮小した後のそのアパーチャレンズ
（３）の色収差の絶対値とその荷電粒子線光学系（６）
の色収差の絶対値とが等しくなるようにしてもよい。

【０００９】

【作用】斯かる本発明によれば、荷電粒子線の加速領域
にアパーチャレンズ（４）が設けられるが、このアパー
チャレンズ（４）は凹レンズの作用を持つ事が知られて
いる。従って、荷電粒子線はこのアパーチャレンズ
（４）を通過するときに発散作用を受ける。しかもエネ
ルギーの低い荷電粒子線ではより大きい発散作用を受け
る。これについて図２を参照して詳細に説明する。

【００１０】図２において、先ず荷電粒子線源（１）か
ら荷電粒子線が放出され、その前方に軸対称のアパーチ
ャレンズ（３）がある。アパーチャレンズ（３）の開口
部の近傍では等ポテンシャネル面は曲面（１２）のよう
になり、荷電粒子線の軌道はこのポテンシャルによって
外側へ曲げられる。この場合、アパーチャレンズ（３）
の開口部を通過する荷電粒子線の内で高いエネルギーを
持つものほどそのアパーチャレンズ（３）で曲げられる
量が少ない。従って、高いエネルギーを持つ荷電粒子線
が例えば軌道１１−２に沿って進むとすると、低いエネ
ルギーを持つ荷電粒子線はより外側に広がる軌道１１−
１に沿って進む。

【００１１】次に、アパーチャレンズ（３）を通過した
後の荷電粒子線の軌道を直線的に荷電粒子線源（１）側
へ延長した際に、この軌道が光軸ＡＸと交わる位置に荷
電粒子線源（１）の虚像ができる。高いエネルギーを持
つ軌道１１−２に沿って進む荷電粒子線の虚像１０−２
の位置は荷電粒子線源（１）に近く、より低いエネルギ
ーを持つ軌道１１−１に沿って進む荷電粒子線の虚像１
０−１の位置はアパーチャレンズ（３）に近いため、よ
り高いエネルギーを持つ荷電粒子線の虚像の位置はより
荷電粒子線源（１）側にできる。従って、このアパーチ
ャレンズ（３）は負の色収差を持つと言える。この虚像
を荷電粒子線光学系（６）でターゲット（８）上に結像
させると、より高いエネルギーを持つ荷電粒子線は荷電
粒子線光学系（６）で曲げられる量が少ないので、色収
差が補正される。即ち、荷電粒子線光学系（６）が持つ
正の色収差がアパーチャレンズ（３）の持つ負の色収差
で補正されて、分解能が向上する。

【００１２】また、例えば図１に示すように、その荷電
粒子線源（１）とそのアパーチャレンズ（３）との間に
軸合わせ用の偏向手段（９）を配置した場合には、荷電
粒子線源（１）から放出される荷電粒子線の中心をその
偏向手段（９）によりそのアパーチャレンズ（３）の開
口部の中心に容易に合わせることができる。また、その
アパーチャレンズ（３）とその荷電粒子線光学系（６）
との間にコンデンサーレンズ（４）を配置し、このコン
デンサーレンズ（４）で拡大又は縮小した後のそのアパ
ーチャレンズ（３）の色収差の絶対値とその荷電粒子線
光学系（６）の色収差の絶対値とが等しくなるようにし
た場合には、全体として色収差が最小となりより分解能
が向上する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明による荷電粒子線装置の一実施
例につき図面を参照して説明する。本実施例は走査型電
子顕微鏡に本発明を適用したものである。図１は本例の
走査型電子顕微鏡の構成を示し、この図１において、１
は熱電界放出型のカソードであり、このカソード１は曲
率半径１０μｍのチップより形成されている。このカソ
ード１に−１０００Ｖの電圧を印加する。そのカソード
１の周囲に熱電子の発生を抑制するためのサプレッサ電
極２を配置し、サプレッサ電極２に−１１００Ｖの電圧
を加える。

【００１４】そのカソード１及びサプレッサ電極２の下
方にアパーチャレンズ３を配置して、このアパーチャレ
ンズ３を接地する。アパーチャレンズ３は、平板状の部
材に光軸ＡＸを中心とした開口３ａを形成したものであ
り、更にこの開口３ａの縁部からターゲット側に円筒状
の側壁部３ｂが形成されている。但し、その側壁部３ｂ
は省略してもよい。そのアパーチャレンズ３の下方に順
に、電磁レンズよりなるコンデンサーレンズ４、上段の
偏向器５ａ、下段の偏向器５ｂ、電磁レンズよりなる対
物レンズ６、二次電子検出器７及びターゲット８を配置
する。対物レンズ６としては色収差係数が２０ｍｍのも
のを使用する。

【００１５】また、サプレッサ電極２とアパーチャレン
ズ３との間に電磁偏向器９を配置する。この電磁偏向器
９は、カソード１から放出された電子線の中心をアパー
チャレンズ３の開口３ａの中心に合わせるために使用さ
れる。

【００１６】次に、本例の動作につき説明する。カソー
ド１から放出された電子線はアパーチャレンズ３の開口
３ａを通過するが、この際にアパーチャレンズ３の電位
により電子線は光軸ＡＸから離れる方向に曲げられる。
即ち、アパーチャレンズ３は凹レンズのような発散作用
を有し、或るエネルギーの電子線によりカソード１から
ターゲット８側に寄った位置にカソード１の虚光源１０
が形成される。但し、この虚光源１０の位置は電子線の
エネルギーによって変化する。

【００１７】図２を参照してその虚光源の位置の変化に
ついて説明する。図２において、アパーチャレンズ３に
よる等ポテンシャル面は曲面１２に示すようになる。従
って、アパーチャレンズ３の開口を通過する電子線の内
で、エネルギーの大きな電子線は例えば軌道１１−２に
沿って進むのに対して、エネルギーの小さな電子線はア
パーチャレンズ３により大きく曲げられて、外側の軌道
１１−１に沿って進む。従って、軌道１１−２に沿って
進む電子線の虚光源１０−２の位置よりも軌道１１−１
に沿って進む電子線の虚光源１０−１の位置の方がカソ
ード１から大きくターゲット８側にずれている。これは
アパーチャレンズ３により負の色収差が発生することを
意味する。

【００１８】図１に戻り、サプレッサ電極２とアパーチ
ャレンズ３との間隔を１０ｍｍ、アパーチャレンズ３の
開口３ａの内径を２ｍｍとしたときのアパーチャレンズ
３による色収差係数を計算機シミュレーションで計算し
た結果、色収差係数は２．７ｍｍとなった。このときの
カソード１の虚光源１０の平均的な位置は、アパーチャ
レンズ３からカソード１側に約５ｍｍの所である。但
し、アパーチャレンズ３による負の色収差の程度は、サ
プレッサ電極２とアパーチャレンズ３との間隔及びアパ
ーチャレンズ３の開口３ａの内径等により変わるもので
ある。

【００１９】アパーチャレンズ３の開口３ａを通過した
電子線は例えば軌道１１に沿って進み、コンデンサーレ
ンズ４により集束される。その後再び発散した電子線は
対物レンズ６によりターゲット８上に集束される。その
コンデンサーレンズ４によりその虚光源１０を３倍に拡
大した光源像１３が結像され、この光源像１３の像が対
物レンズ６により等倍でターゲット８上に結像される。
偏向器５ａ及び５ｂでそのターゲット８上で電子線を偏
向して、ターゲット８からの二次電子を二次電子検出器
７で検出することにより、ターゲット８の表面の状態が
観察される。

【００２０】この場合、アパーチャレンズ３の色収差係
数は２．７ｍｍであり、コンデンサーレンズ４の倍率は
３倍であるため、そのアパーチャレンズ３の色収差係数
は３² 倍、即ち−２０．７ｍｍに拡大される。また、対
物レンズ６の色収差係数は２０ｍｍであり、この電子線
光学系全体の色収差係数はほぼ０となり、ターゲット８
上に高い分解能で電子線のスポットが形成された。

【００２１】上述のように本例によれば、アパーチャレ
ンズ３を用いて発生させた色収差をコンデンサーレンズ
４により拡大して、対物レンズ６で発生する正の色収差
をほぼ打ち消すようにしているので、全体として色収差
がほぼ０となり、解像度が向上している。また、本例に
よれば、対物レンズ６として作動距離が大きく、従って
色収差係数の大きい対物レンズを用いても、高分解能の
電子線のスポット像が得られる。従って、ターゲット８
として例えば８インチウエハ等の大きい試料を対象とし
て、この試料を傾けて全面を観察するような場合でも良
好な観察画像が得られる。

【００２２】なお、上述実施例は走査型電子顕微鏡に本
発明を適用したものであるが、本発明はその他に電子線
露光装置又はイオンビームを用いたリペア装置等の荷電
粒子線装置一般に同様に適用できるものである。このよ
うに、本発明は上述実施例に限定されず本発明の要旨を
逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、アパーチャレンズによ
り荷電粒子線光学系の持つ色収差の一部又は全部を相殺
させるようにしているので、比較的簡単な構成で収差を
低減させて分解能を向上させることができる利点があ
る。これにより、エネルギー幅の大きい荷電粒子線源を
用いても、高い分解能が得られる。

【００２４】また、荷電粒子線源とアパーチャレンズと
の間に軸合わせ用の偏向手段を配置した場合には、荷電
粒子線源から放出された荷電粒子線の中心をアパーチャ
レンズの開口の中心に容易に合わせることができるの
で、結像特性が向上する。更に、アパーチャレンズと荷
電粒子線光学系との間にコンデンサーレンズを配置し、
このコンデンサーレンズで拡大又は縮小した後のそのア
パーチャレンズの色収差の絶対値とその荷電粒子線光学
系の色収差の絶対値とが等しくなるようにした場合に
は、色収差がほぼ０になり更に高い分解能が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を走査型電子顕微鏡に適用した場合の一
実施例を示す縦断面に沿う端面図である。

【図２】図１の構成を簡略化して色収差が補正される機
構を説明するための概略構成図である。

【符号の説明】

１ カソード ２ サプレッサ電極 ３ アパーチャレンズ ４ コンデンサーレンズ ５ａ，５ｂ 偏向器 ６ 対物レンズ ７ 二次電子検出器 ８ ターゲット ９ 偏向器 １０ 虚光源 １３ 光源像

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 荷電粒子線源から放出された荷電粒子線
   を加速した後に荷電粒子線光学系を介してターゲット上
   に導く荷電粒子線装置において、 前記荷電粒子線の加速領域に、前記荷電粒子線光学系の
   持つ色収差の一部又は全部を相殺させる負の色収差を持
   つアパーチャレンズを配置した事を特徴とする荷電粒子
   線装置。
2. 【請求項２】 前記荷電粒子線源と前記アパーチャレン
   ズとの間に軸合わせ用の偏向手段を配置した事を特徴と
   する請求項１記載の荷電粒子線装置。
3. 【請求項３】 前記アパーチャレンズと前記荷電粒子線
   光学系との間にコンデンサーレンズを配置し、該コンデ
   ンサーレンズで拡大又は縮小した後の前記アパーチャレ
   ンズの色収差の絶対値と前記荷電粒子線光学系の色収差
   の絶対値とが等しくなるようにした事を特徴とする請求
   項１又は２記載の荷電粒子線装置。