(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸上に配置される静電磁界複合対物レンズと、一次電子線を傾斜して試料に入射させる為の少なくとも２つ以上の偏向手段を具備し、第１の偏向手段は一次電子線軌道を前記光軸から離れる様に傾斜させ、第２の偏向手段は、前記静電磁界複合対物レンズの軸上磁場分布をＢ、その静電磁界複合対物レンズの軸上静電ポテンシャルをΦ、一次電子線軌道の光軸からの距離をｒとして、その静電磁界複合対物レンズを移動させる為の補正項
（１／２）ｒＢ′＋（１／２）ｒΦ″
と、その静電磁界複合対物レンズを傾斜させる為の補正場
ｒ′Ｂ＋ｒ′Φ′
からなる軸上磁場分布を与える補正場
（１／２）ｒＢ′＋ｒ′Ｂ＋（１／２）ｒΦ″＋ｒ′Φ′
が前記静電磁界複合対物レンズに作用させる様に配置され、前記第１の偏向手段は、前記静電磁界複合対物レンズに入射する前記一次電子線軌道を前記静電磁界複合対物レンズ軸外収差の補正を必要としない範囲で傾斜させ、前記第２の偏向手段は、ｒ′Ｂ＋ｒ′Φ′の補正場で前記一次電子線軌道を前記第１の偏向手段とは逆の方向に傾斜させる様にしたことを特徴とする走査電子顕微鏡装置。
【請求項２】
一次電子線を傾斜させる偏向手段として、静電偏向器、又は磁界偏向コイルのいずれかで構成させる請求項１の走査電子顕微鏡装置。
【請求項３】
試料が設置される試料ステージと、該試料ステージを移動させるステージ移動機構を具備し、前記偏向手段で一次電子線を傾斜させると同時に、その偏向量に応じて前記試料ステージを移動させ、一次電子線の傾斜角度が異なる場合でも、常に試料上の同じ場所が観察できる様にした請求項１の走査電子顕微鏡装置。
【請求項４】
前記偏向手段により、試料に異なる傾斜角度で入射させた一次電子線による２枚以上の試料像を取得して、該複数の試料像を演算処理し再構成することによって、三次元試料像を得ることが可能である請求項１の走査電子顕微鏡装置。
【請求項５】
前記再構成して得られた１枚の三次元試料像から、試料上の２点間の距離、深さを演算し測定する請求項１の走査電子顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は試料上に電子ビームを走査させ、試料から発生した反射電子及び二次電子を検出し、その検出信号に基づいて、試料の走査像を陰極線管等の画像表示装置に表示させて、表面形状等を高分解能で測定する走査電子顕微鏡装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体の製造プロセスに於いて、ウェーハ上に作成された回路パターンやコンタクトホールの形状観察を行う為に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が用いられている。近年、半導体デバイスの集積度が大きくなるのに伴って、転写される回路パターンやコンタクトホールの大きさも微細化していき、それらの形状の観察を行う走査電子顕微鏡装置の高分解能化が要求される様になってきた。又回路パターンの微細化と共に、ウェーハ上にはアスペクト比の大きなコンタクトホールや、深い段差等が形成されることが多くなり、その形状を二次元ではなく三次元で測定したいという要求が多くなってきている。
【０００３】
一般に三次元測定を行うには、一次電子ビームを試料に対して傾斜させて入射させ、複数の傾斜した観察像を合成して測定することが行われている。その為には、試料ステージを傾斜させるか、試料を傾斜させずに一次電子ビームを試料に対して傾斜させて入射させる方法のいずれかが考えられるが、従来の走査電子顕微鏡装置では一次電子ビームを傾斜させた場合、一次電子ビームが対物レンズの軸外を通過する為軸外収差が発生し、その結果として分解能が低下する為、試料ステージを傾斜させることによって傾斜観察を実施していた。
【０００４】
それに対して本発明者等は公開特許平１１−６７１３０号で示す電子線光学装置により、試料ステージを傾斜させずに傾斜観察を行う電子線光学装置を発明した。
【０００５】
図４に於いて、特開平１１−６７１３０号で示す電子線光学装置について説明する。尚、図４は電子線光学装置の電子光学系１の骨子であり、等価な光学系で示している。
【０００６】
図４中、２は電子線光学装置の光軸、３は一次電子ビームの偏向軌道、４は試料を示している。
【０００７】
前記光軸２上にコイル又は静電偏向器の偏向器５、対物レンズ７、該対物レンズ７のレンズ磁場に重合せる様に補正偏向コイル８が配設され、磁界型レンズである前記対物レンズ７の軸外収差を補正する為に、補正偏向コイル８が設けられる。又、前記試料４には減速電圧を印加し、この減速場により減速静電レンズ１２を形成すると共に、該減速静電レンズ１２の軸外収差を補正する為に補正偏向電極９が設けられる。前記補正偏向コイル８により補正された磁界型の対物レンズ７と、前記補正偏向電極９により補正された減速静電レンズ１２を重合わせることにより、静電磁界複合対物レンズ（重畳レンズ）１３が形成される。
【０００８】
図４に示す電子線光学装置に於いて、一次電子ビームは前記偏向器５で偏向された後、その偏向収差が取除かれる様に前記静電磁界複合対物レンズ１３が電気的に移動、傾斜される。
【０００９】
前記偏向軌道３と対物レンズ７の光軸が一致する様に、前記補正偏向コイル８及び前記補正偏向電極９により補正偏向電磁場が与えられ、前記対物レンズ７が偏角と同角度で傾斜されると共に移動される。即ち、前記補正偏向コイル８、補正偏向電極９は、偏向された一次電子ビームの偏向収差を取除く為前記静電磁界複合対物レンズ１３を電気的に移動、傾斜させる為の「補正場」を実現させる手段として前記電子光学系１内に配置され、傾斜観察を実現しようとするものである。
【００１０】
図５で示す電子線光学装置は第２の偏向器６を設けて、試料４に対する一次電子ビームの傾斜方向を変えられる様にしたものである。
【００１１】
傾斜させた一次電子ビームの軸外収差を補正する為の補正場は、特開平１１−６７１３０号で示した様に、前記静電磁界複合対物レンズ１３の軸上磁場分布をＢ、静電磁界複合対物レンズ１３の軸上静電ポテンシャルをΦ、一次電子ビーム軌道の光軸２からの距離をｒとすると
（１／２）ｒＢ′＋ｒ′Ｂ＋（１／２）ｒΦ″＋ｒ′Φ′…（１）
で与えられる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
一次電子ビームを傾斜させて、軸外収差を補正する為には、（１）式で示される様な軸上磁場分布を与える補正場を対物レンズの収束場に重ね合さなければならないが、実際にこの様な複雑な軸上磁場分布を実現させる偏向器等を製作するのは困難であるという問題がある。
【００１３】
本発明は斯かる実情に鑑み、複雑な補正場を構成する偏向器を必要とすることなく、傾斜した一次電子ビームの軸外収差が補正できることが可能であり、比較的簡易な構造で、傾斜観察が可能な走査電子顕微鏡装置を提供するものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光軸上に配置される静電磁界複合対物レンズと、一次電子線を傾斜して試料に入射させる為の少なくとも２つ以上の偏向手段を具備し、第１の偏向手段は一次電子線軌道を前記光軸から離れる様に傾斜させ、第２の偏向手段は、前記静電磁界複合対物レンズの軸上磁場分布をＢ、その静電磁界複合対物レンズの軸上静電ポテンシャルをΦ、一次電子線軌道の光軸からの距離をｒとして、その静電磁界複合対物レンズを移動させる為の補正項
（１／２）ｒＢ′＋（１／２）ｒΦ″
と、その静電磁界複合対物レンズを傾斜させる為の補正場
ｒ′Ｂ＋ｒ′Φ′
からなる軸上磁場分布を与える補正場
（１／２）ｒＢ′＋ｒ′Ｂ＋（１／２）ｒΦ″＋ｒ′Φ′
が前記静電磁界複合対物レンズに作用させる様に配置され、前記第１の偏向手段は、前記静電磁界複合対物レンズに入射する前記一次電子線軌道を前記静電磁界複合対物レンズ軸外収差の補正を必要としない範囲で傾斜させ、前記第２の偏向手段は、ｒ′Ｂ＋ｒ′Φ′の補正場で前記一次電子線軌道を前記第１の偏向手段とは逆の方向に傾斜させる様にした走査電子顕微鏡装置に係り、又一次電子線を傾斜させる偏向手段として、静電偏向器、又は磁界偏向コイルのいずれかで構成させる走査電子顕微鏡装置に係り、又試料が設置される試料ステージと、該試料ステージを移動させるステージ移動機構を具備し、前記偏向手段で一次電子線を傾斜させると同時に、その偏向量に応じて前記試料ステージを移動させ、一次電子線の傾斜角度が異なる場合でも、常に試料上の同じ場所が観察できる様にした走査電子顕微鏡装置に係り、又前記偏向手段により、試料に異なる傾斜角度で入射させた一次電子線による２枚以上の試料像を取得して、該複数の試料像を演算処理し再構成することによって、三次元試料像を得ることが可能である走査電子顕微鏡装置に係り、更に又前記再構成して得られた１枚の三次元試料像から、試料上の２点間の距離、深さを演算し測定する走査電子顕微鏡装置に係るものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
先ず、本発明の原理について説明する。
【００１７】
上記した様に、一次電子ビームを傾斜させて、軸外収差を補正する為には、この様な軸上磁場分布を与える補正場は、
（１／２）ｒＢ′＋ｒ′Ｂ＋（１／２）ｒΦ″＋ｒ′Φ′…（１）
であり、この補正場の軸上電磁場分布を表す式を、
（１／２）ｒＢ′＋（１／２）ｒΦ″…（２）
と
ｒ′Ｂ＋ｒ′Φ′…（３）
の２つの項に分けて考えると、前者は静電磁界複合対物レンズを移動させる様な補正項であり、後者は静電磁界複合対物レンズを傾斜させる為の補正場を表わすことが分る。
【００１８】
前者は静電磁界複合対物レンズの軸上電磁場の微分が含まれており、この様な複雑な軸上磁場分布を実現させる偏向器等を製作するのは困難である。然し後者の静電磁界複合対物レンズを傾斜させる様な補正項は、静電磁界複合対物レンズの軸上電磁場の定数（＝軌道の傾斜の大きさ）倍で表される為、傾斜させた一次電子ビームの軌道が光軸から余り離れずに、且つ、一次電子ビームを大きく傾斜させることができれば、（２）式で表わされる様な静電磁界複合対物レンズを移動させる様な軸外収差の補正をする必要がなく、（３）式で表わされる様な静電磁界複合対物レンズを傾斜させる軸外補正だけを行えばよいことになる。
【００１９】
そこで、本発明では、少なくとも２つ以上の偏向器を配置し、その内の１つを静電磁界複合対物レンズの近傍に配置することによって、第１の偏向器で一次電子ビームの軌道が光軸から大きく離れることなく偏向させた後、静電磁界複合対物レンズの近傍に配置させた偏向器により、一次電子ビームを逆方向に大きく傾斜させる様な構成をとっている。
【００２０】
先に述べた様に、この場合は傾斜させた一次電子ビームの偏向軌道は静電磁界複合対物レンズの収束場に入射する迄、光軸から大きく離れない為、静電磁界複合対物レンズを移動させる様な軸外収差の補正については考えなくてもよく、静電磁界複合対物レンズの収束場に一次電子ビームが入った段階で、静電磁界複合対物レンズの近傍に配置された偏向器により、その軌道が大きく傾斜されることになる。この時、静電磁界複合対物レンズ近傍に配置した偏向器の強度を調整することにより、近似的に（３）式で表わされる補正場を実現でき、補正の為の偏向器等を用いることなく一次電子ビームを傾斜させると同時に、その軸外収差を補正できる様な電子光学系を構成することが可能である。
【００２１】
次に、図１を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２２】
図１中、図４中で示したものと同等のものには同符号を付してある。
【００２３】
前記光軸２上に磁界コイル又は静電偏向器の第１静電偏向器５、静電磁界複合対物レンズ１３、該静電磁界複合対物レンズ１３の近傍に偏向器兼補正偏向器である第２静電偏向器１４が配置される。
【００２４】
図示されていない電子銃から放射された一次電子ビーム３は、前記第１静電偏向器５によって前記光軸２に対して偏向され、前記第２静電偏向器１４によって前記第１静電偏向器５によって偏向された方向と反対の方向に偏向される。軸外収差は、前記一次電子ビーム３の偏向軌道が前記光軸２からずれる距離が大きくなる程、軸外収差が大きくなるが、前記第１静電偏向器５の強度を十分小さくしておけば、一次電子ビーム３の傾斜角度を小さくすることができ、その結果、静電磁界複合対物レンズ１３の収束場の有効範囲でも、発生する軸外収差の大きさを小さくすることができる。
【００２５】
前記静電磁界複合対物レンズ１３の収束場の有効範囲に入った前記一次電子ビーム３は、前記第２静電偏向器１４で軌道を大きく傾斜されるが、先に述べた様に前記静電磁界複合対物レンズ１３の近傍に配置された前記第２静電偏向器１４は前記一次電子ビーム３の軌道を傾斜させると同時に、前記静電磁界複合対物レンズ１３を傾斜させる様な軸外収差の補正にも有効である為、結局前記一次電子ビーム３の偏向軌道の傾斜に合わせて、前記静電磁界複合対物レンズ１３を傾斜させる様な効果を得ることができる。
【００２６】
勿論、前記第１静電偏向器５で軌道を大きく傾斜させた場合でも、前記一次電子ビーム３の偏向軌道は前記光軸２から離れていく様な軌道になるが、前記静電磁界複合対物レンズ１３と試料４面迄の距離が短い為、前記一次電子ビーム３の傾斜角度が大きくても、前記光軸２からの前記一次電子ビーム３の軌道のずれは大きくならず、その結果、前記静電磁界複合対物レンズ１３を移動させる様な収差の補正をしなくてもよいことになる。
【００２７】
次に、三次元観察が行える様にした走査電子顕微鏡装置について図２、図３により説明する。尚、図中、図１中で示したものと同等のものには同符号を付し、説明を省略している。
【００２８】
光軸２に対して直交する面内を２軸方向に移動可能な試料ステージ１５が設けられ、前記試料４は前記試料ステージ１５に設置される。又、該試料ステージ１５には駆動制御部１６が連結され、該駆動制御部１６は試料ステージ１５を２軸方向に駆動する駆動機構部（図示せず）及び該駆動機構部を制御する制御部（図示せず）を具備し、前記試料ステージ１５は前記駆動制御部１６により移動され、位置が制御される。
【００２９】
前記第１静電偏向器５、第２静電偏向器１４には制御回路１７，１８が接続され、該制御回路１７，１８により前記第１静電偏向器５、第２静電偏向器１４への印加電力が制御され、前記一次電子ビーム３の偏向量等が制御される。
【００３０】
前記試料４に前記一次電子ビーム３が照射されることで、発生する反射電子、二次電子は検出器１９により検出され、検出結果は演算部２１へ入力され、該演算部２１は前記検出器１９からの信号を基に試料像を演算する。又、方向の異なる複数の試料像を画像処理して三次元画像を演算し、画像データを表示部２２に送出して三次元画像を表示する。
【００３１】
以下、作用について説明する。
【００３２】
上記した様に、前記試料４に対して前記一次電子ビーム３を傾斜させて入射させることができるので、前記試料４の試料像を得ることができる。
【００３３】
又、三次元観察を行う為には、前記試料４の同じ場所に於ける異なる方向からの試料像が必要となる為、予め前記一次電子ビーム３の傾斜角、偏向方向と、前記試料４上での前記一次電子ビーム３の入射位置を測定しておく。該一次電子ビーム３を異なる方向で同じ角度に傾斜させた時に、前記試料４上で必ず同じ場所が観察できる様に、前記駆動制御部１６により前記試料ステージ１５を観察方向、傾斜角に応じて移動させる。前記試料ステージ１５を移動させることで、前記一次電子ビーム３の傾斜角、方向が変化した場合も、前記試料４の同一の位置に前記一次電子ビーム３を照射でき、前記試料４の異なる方向からの試料像が得られる。
【００３４】
前記演算部２１はこれらの像を再構成して、三次元試料像を得る。該三次元試料像は前記表示部２２に表示、或はハードディスク等の外部記録装置（図示せず）に記憶される。又、前記演算部２１は演算して得られた三次元試料像に基づき、更に前記試料４上の２点間の距離、深さ等を演算し測定する。
【００３５】
尚、上記説明では便宜上、偏向器を２つに限定し、且つ静電偏向器であるとしたが、使用する偏向器は静電偏向器に限定されるものではない。磁界偏向コイルでも同様の電子光学系が構成可能であるし、静電磁界複合対物レンズ１３の近傍に少なくとも１つ以上の静電偏向器又は磁界偏向コイルを配置し、光軸２上に配置された任意の数の静電偏向器又は磁界偏向コイルの強度比を調整することによっても同様の電子光学系が構成できる。従って、本発明による電子光学系に於いて、使用される偏向器の数及び種類について制限されるものではない。
【００３６】
以上の様に、従来、試料ステージを傾斜させずに傾斜観察を行うには、静電磁界複合対物レンズ１３の近傍に複雑な補正場を構成する偏向器が必要であったが、本発明によると、その様な複雑な補正場を必要としないで、傾斜した一次電子ビームの軸外収差が補正できることが可能であり、比較的簡易な構造で、傾斜観察が可能な走査電子顕微鏡装置を提供できる。
【００３７】
更に、試料ステージが傾斜しない為、短時間で傾斜観察を行うことができ、半導体の製造プロセスに於いても、スループットを低下させることなく三次元計測等が可能である。又一次電子ビームの傾斜角・方向に応じて試料ステージを移動させる制御機構を合わせて持っている為、視野移動なしで異なる方向からの試料像を得ることが可能であり、これらの試料像を元に三次元試料像を構成し計測等を行うことができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、静電磁界複合対物レンズを持つ走査電子顕微鏡装置に於いて、一次電子線を傾斜して試料に入射させる為の、少なくとも２つ以上の偏向手段を持ち、該偏向手段の１つを対物レンズ近傍に配置させて、偏向場を発生させると同時に軸外収差を補正する為の補正場として作用させることにより、前記偏向手段で偏向された一次電子線の軸外収差を補正する様にしたので、複雑な補正場を必要としないで、傾斜した電子ビームの軸外収差が補正でき、比較的簡易な構造で、傾斜観察が可能となる。
【００３９】
更に、試料ステージを傾斜させないでよいので、短時間で傾斜観察を行うことができ、半導体の製造プロセスで使用された場合、スループットを低下させることなく三次元計測等を可能とする。
【００４０】
試料が設置される試料ステージと、該試料ステージを移動させるステージ移動機構を具備し、前記偏向手段で一次電子線を傾斜させると同時に、その偏向量に応じて前記試料ステージを移動させ、一次電子線の傾斜角度が異なる場合でも、常に試料上の同じ場所が観察できる様にしたので、視野の移動なしで異なる方向からの試料像を得ることが可能であり、これらの試料像を元に三次元試料像を構成し計測等を行うことができる等の優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る走査電子顕微鏡装置の電子光学系を示す骨子図である。
【図２】本発明の実施の形態を示す骨子図である。
【図３】本発明の実施の形態の作用説明図である。
【図４】従来例の説明図である。
【図５】他の従来例の説明図である。
【符号の説明】
１          電子光学系
２          光軸
３          電子ビーム
４          試料
５          第１静電偏向器
１３        静電磁界複合対物レンズ
１４        第２静電偏向器
【図１】
0003953309.tif 000002
【図２】
0003953309.tif 000003
【図３】
0003953309.tif 000004
【図４】
0003953309.tif 000005
【図５】
0003953309.tif 000006