(57)【要約】      （修正有）【課題】収束レンズを構成するコンデンサレンズを省略し、電子光学系の軸線方向の寸法を短くしてコンパクトにした走査型電子顕微鏡を提供する。【解決手段】電子線を発生する電子銃に、電流密度を変化させるガンレンズ４６を設けるとともに、このガンレンズ４６の出射側に電子線の周辺部を取除いて電子線束の大きさを規制するアパーチャ５８を配し、このアパーチャ５８を通して通過した電子線を対物レンズを通してステージ上の試料に照射するようにしたものである。【選択図】図４
2016110865.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線を試料に対して相対的に走査しながら照射し、前記試料からの２次電子を検出器によって検出し、走査位置に対する前記２次電子の検出出力から画像を形成するようにした走査型電子顕微鏡において、
前記電子線を発射する電子銃に、静電レンズから成り、電子線の電流密度を変化させるガンレンズを設けるとともに、該ガンレンズの出力側に電子線の周辺部を取除いて電子線束の大きさを規制するアパーチャを配し、前記アパーチャを通過した電子線を対物レンズを通して前記試料に照射するようにした走査型電子顕微鏡。
【請求項２】
前記ガンレンズと前記アパーチャの対が２組設けられ、前段側の対のガンレンズがアノードよりも電子線源側に設けられるとともに、前記前段側のガンレンズに対応するアパーチャが前記アノードに形成される請求項１に記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項３】
前記電子銃が前記対物レンズに直接取付けられる請求項１に記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項４】
前記対物レンズの入射側に偏向装置が取付けられるとともに、前記偏向装置の入射側に前記ガンレンズを備える前記電子銃が直結される請求項３に記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項５】
前記電子銃の電子線源がＷ／ＺｒＯ熱電界放出型電子線源である請求項１に記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項６】
前記ガンレンズが絶縁性の筒体を備え、その中心孔の内周面に円周方向に４極以上の多極に分割された電極を形成して成り、各電極にそれぞれ制御電圧を印加することにより電子線を収束する請求項１に記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項７】
前記ガンレンズの多極に分割された電極に非対称電圧を印加することにより、前記電子線を前記アパーチャに対して側方に移動させてブランキングを行なうようにした請求項６に記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項８】
前記アパーチャが円形孔であって、直径が０．３〜１．２ｍｍの範囲内の穴である請求項１に記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項９】
前記試料がステージ上に載置され、該ステージによって前記試料が所定の方向に移動されることによって前記走査が行われる請求項１に記載の走査型電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は走査型電子顕微鏡に係り、とくに電子線を試料に対して相対的に走査しながら照射し、前記試料からの２次電子を検出器によって検出し、走査位置に対する２次電子の検出出力から画像を形成するようにした走査型電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体を製造する場合には、シリコンウエハ上に化学処理を施して配線パターンを形成し、シリコンウエハ上に形成された各素子を上記配線パターンを介して接続する。従って、配線パターンが正しく形成されかつ正しく接続されないと、半導体が正しい動作を行なわない状態が発生し、不良品の発生に繋がる。そこで半導体の製造プロセスにおいて、半導体ウエハ上に形成される描画パターンが正しく形成されているかどうかをチェックするために、例えば特開２００６−１３８８６４号公報に開示されているように、走査型電子顕微鏡を用いて検査あるいは評価を行なうようにしている。
【０００３】
このような用途に用いられる走査型電子顕微鏡は、電子線源からの電子ビームを、収束レンズあるいはコンデンサレンズによって集束させるとともに、偏向コイルによって所定の方向に偏向し、この後対物レンズによってステージ上に配された試料から成る半導体ウエハの所定の位置に照射するようにしている。このような構成は、電子銃の出射側に、収束レンズを構成するコンデンサレンズを設けるようにしなければならない。コンデンサレンズは電磁コイルであって、軸線方向に大きな寸法を有するために、電子光学系の高さ方向の寸法が非常に大きくなり、これによって走査型電子顕微鏡の大きさも大きくなり、とくに高さ方向に長くなる欠点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１３８８６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明の課題は、高さ方向の寸法を短くし、これによって小型化を可能にした走査型電子顕微鏡を提供することである。
【０００６】
本願発明の別の課題は、コンデンサレンズから成る収束レンズを無くし、これによってとくに電子光学系のコンパクト化を図るようにした走査型電子顕微鏡を提供することである。
【０００７】
本願発明のさらに別の課題は、コンデンサレンズから成る収束レンズを用いることなく、しかもコンデンサレンズを用いた電子顕微鏡と同等あるいはそれ以上の分解能を有するコンパクトな走査型電子顕微鏡を提供することである。
【０００８】
本願発明のさらに別の課題は、電子銃に設けられた静電レンズから成るガンレンズによってコンデンサレンズの機能を達成するようにしたコンパクトな走査型電子顕微鏡を提供することである。
【０００９】
本願発明のさらに別の課題は、電子銃に設けられた静電レンズから成るガンレンズによってブランキング機能を達成するようにした走査型電子顕微鏡を提供することである。
【００１０】
本願発明の上記の課題および別の課題は、以下に述べる本願発明の技術的思想、およびその実施の形態によって明らかにされる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願の主要な発明は、電子線を試料に対して相対的に走査しながら照射し、前記試料からの２次電子を検出器によって検出し、走査位置に対する前記２次電子の検出出力から画像を形成するようにした走査型電子顕微鏡において、
前記電子線を発射する電子銃に、静電レンズから成り、電子線の電流密度を変化させるガンレンズを設けるとともに、該ガンレンズの出力側に電子線の周辺部を取除いて電子線束の大きさを規制するアパーチャを配し、前記アパーチャを通過した電子線を対物レンズを通して前記試料に照射するようにした走査型電子顕微鏡に関するものである。
【００１２】
ここで、前記ガンレンズと前記アパーチャの対が２組設けられ、前段側の対のガンレンズがアノードよりも電子線源側に設けられるとともに、前記前段側のガンレンズに対応するアパーチャが前記アノードに形成されてよい。また前記電子銃が前記対物レンズに直接取付けられてよい。また前記対物レンズの入射側に偏向装置が取付けられるとともに、前記偏向装置の入射側に前記ガンレンズを備える前記電子銃が直結されてよい。また前記電子銃の電子線源がＷ／ＺｒＯ熱電界放出型電子線源であってよい。
【００１３】
また、前記ガンレンズが絶縁性の筒体を備え、その中心孔の内周面に円周方向に４極以上の多極に分割された電極を形成して成り、各電極にそれぞれ制御電圧を印加することにより電子線を収束するようにしてよい。また前記ガンレンズの多極に分極された電極に非対称電圧を印加することにより、前記電子線を前記アパーチャに対して側方に移動させてブランキングを行なうようにしてよい。また前記アパーチャが円形孔であって、直径が０．３〜１．２ｍｍの範囲内の穴であってよい。また前記試料がステージ上に載置され、該ステージによって前記試料が所定の方向に移動されることによって前記走査が行われてよい
【００１４】
なお本願の各請求項に係る発明は、独立行政法人産業技術総合研究所の主導のもとになされた戦略的基盤技術高度化支援事業の中で創出されたものである。
【発明の効果】
【００１５】
本願の主要な発明は、電子線を試料に対して相対的に走査しながら照射し、前記試料からの２次電子を検出器によって検出し、走査位置に対する前記２次電子の検出出力から画像を形成するようにした走査型電子顕微鏡において、
前記電子線を発射する電子銃に、静電レンズから成り、電子線の電流密度を変化させるガンレンズを設けるとともに、該ガンレンズの出力側に電子線の周辺部を取除いて電子線束の大きさを規制するアパーチャを配し、前記アパーチャを通過した電子線を対物レンズを通して前記試料に照射するようにしたものである。
【００１６】
従ってこのような走査型電子顕微鏡によると、電子銃に設けられたガンレンズによって従来のコンデンサレンズから成る収束レンズの機能を達成することが可能になり、収束レンズを構成するコンデンサレンズを省くことが可能になる。従って電子光学系の大きさ、とくに高さ方向の寸法を著しく短くすることができ、小型であってコンパクトな走査型電子顕微鏡を提供できるようになる。またガンレンズによって電子線の電流密度を変化させることができるとともに、ガンレンズによってブランキング機能をも達成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る走査型電子顕微鏡のブロック図である。
【図２】同電子顕微鏡の外観斜視図（Ａ）、および各ユニットの筐体内における配置を示す縦断面図（Ｂ）である。
【図３】電子光学系の縦断面図（Ａ）、および電子銃の縦断面図（Ｂ）である。
【図４】電子線の放射の状態を示すブロックダイヤグラムである。
【図５】ガンレンズの多極構造を示す平面図（Ａ）、およびガンレンズの出射側に配置されたアパーチャの平面図（Ｂ）である。
【図６】静電レンズから成るガンレンズの斜視図（Ａ）および縦断面図（Ｂ）である。
【図７】静電レンズから成るガンレンズの拡大横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下本願発明を図示の実施の形態によって説明する。図１は本実施の形態に係る走査型電子顕微鏡のシステム構成を示すものであって、この走査型電子顕微鏡は電子光学系１０を備えている。電子光学系１０は、電子を発生させる電子線源を有するとともに、高真空ポンプ１１を備え、この高真空ポンプ１１によって内部を真空状態に維持するようにしている。そして電子光学系１０の下側には真空チャンバ１４が配され、この真空チャンバ１４の内部であって底面側にステージ１５が配されている。
【００１９】
真空チャンバ１４の側部には搬送系１７が設けられ、真空チャンバ１４の真空を破ることなく搬送系１７から試料１６が供給され、ステージ１５上に載置されるようになっている。真空チャンバ１４は、その下部に配されたダイヤフラムポンプ１８とターボ分子ポンプ１９とによって真空吸引されて所定の真空度に維持されるようになっている。そして真空チャンバ１４が載置台２０上に載置されるとともに、とくにダイヤフラムポンプ１８とターボ分子ポンプ１９とによる振動の影響を受けないように、除振システム２１を介して支持されている。
【００２０】
真空チャンバ１４の側部には２次電子検出器２３が取付けられている。２次電子検出器２３は、試料１６に電子光学系１０によって電子線を照射したときに発生する２次電子の強度を検出するためのものであって、その検出出力が制御系の中の信号処理系２４に供給され、この後信号処理系２４で処理された信号が画像処理系２５に転送される。画像処理系２５は、信号処理系２４を介して取り出した２次電子の強度であって、各走査位置における試料１６の表面の２次電子の強度から画像を形成し、この画像を表示装置２６に出力する。
【００２１】
制御系は、さらに高圧電源２９、レンズ制御系３０、ステージ制御系３１、真空制御系３２を備えている。高圧電源２９は、電子光学系１０の部分に高圧電源を印加するためのものである。レンズ制御系３０は、電子光学系１０内の各レンズの制御を行なう。ステージ制御系３１は、真空チャンバ１４内のステージ１５の制御を行ない、試料１６を電子光学系１０の電子線に対して所定の方向に走査させる。
【００２２】
このような構成に係る走査型電子顕微鏡の各ユニットは、図２Ａに示す外筐３５内に収納される。なお外筐３５はその下部に４つの支持脚３６を備えるとともに、外筐３５の前面側に凹部３７が形成されている。この凹部３７には操作子３８が設けられている。そして凹部３７の上部に上記表示装置２６が取付けられている。
【００２３】
外筐３５内における各ブロックの配置は、図２Ｂに示すようになっており、最上部には高圧電源２９が収納され、その下にレンズ制御系３０と信号処理系２４とが収納されている。そしてその下側には中間搬送系１７が配置されており、その下側に電子光学系１０が取付けられている。上記電子光学系１０の側部には高真空ポンプ１１が接続されている。そして電子光学系１０の下側に真空チャンバ１４が設けられている。真空チャンバ１４は、載置台２０上に載置されるとともに、載置台２０の下側に防振システム２１、ターボ分子ポンプ１９、ダイヤフラムポンプ１８が収納される構造になっている。
【００２４】
次に電子光学系１０の内部構造について説明する。電子光学系１０は、図３Ａに示すようになっており、電子線源４２を備えるとともに、電子線源４２の下側に引出電極４３が配されている。そして引出電極４３の下側にはサプレス電極４４が取付けられている。そしてサプレス電極４４の下端側がアノード４５になっている。そしてこのような構造の電子銃の直ぐ下側にはアライメント／コンデンサ複合ガンレンズ４６が設けられている。すなわち電子銃の下側の部分にガンレンズ４６を備えた特徴ある構成を有している。このような電子銃が、偏向ユニット４７側の入射側に配されている。偏向ユニット４７は対物レンズ４８の直ぐ上の部分に取付けられている。そして上記偏向ユニット４７の中心部にＯＬアライメント４９と非点補正５０とが取付けられている。そして対物レンズ４８の中心孔の部分には、その上側であって内側にシフトコイル５１が、外側に偏向コイル５２が配され、下段においても内側にシフトコイル５３が、外側に偏向コイル５４が配されている。
【００２５】
図３Ｂは、とくに上記電子光学系１０の内のガンレンズ４６を下端に直接取付けた電子銃の部分を拡大して示したものである。
【００２６】
次に以上のような構成に係る走査型電子顕微鏡の概略の動作を、図１および図２によって説明する。電子光学系１０の電子線源４２によって出射された電子線は、この電子光学系１０の各ユニットを通過し、対物レンズ４８によって集束されて、ステージ１５上に載置された試料１６に照射される。ここでステージ１５がステージ制御系３１によって所定の方向に試料１６を移動させるために、対物レンズ４８を通して照射される電子線は、ステージ１５上の試料１６に対して相対的に所定の方向に走査されることになる。そしてこのときの各走査位置における試料１６から出射される２次電子が２次電子検出器２３によって検出され、その検出出力が信号処理系２４で処理される。処理された信号が画像処理系２５に供給され、この画像処理系２５によって、各走査位置に応じた２次電子の強度から画像が形成される。画像処理系２５で形成された画像は表示装置２６によって表示される。
【００２７】
このような走査型電子顕微鏡は、とくに図３Ａおよび図３Ｂに示すように、電子線源４２から成る電子銃の下側の部分に、ガンレンズ４６が直接取付けられるとともに、収束レンズを構成するコンデンサレンズを省略するようにしている。ガンレンズ４６は図６および図７に示すように、静電レンズであって、セラミック製の筒体である。そして筒体の外周側にフランジ６１を備えている。筒体の中心孔の内周面には、導電性金属の電極６３が円周方向に８分割されて形成されている。各電極６３に電圧を印加すると、ほぼ円形の静電界を形成し、最大で約１，０００倍の静電レンズとなる。静電レンズは電界強度に応じて電子線のスカート状の広がりを調整できるために、これによって電子線の電流密度を調整することが可能になる。従ってこのような構成は、軸線方向に長い寸法を有するコンデンサレンズがなくなるために、電子光学系１０の高さ方向の寸法が非常に短くなり、電子光学系１０をコンパクトに組立てることが可能になる。このことから、走査型電子顕微鏡全体の高さ方向の寸法も著しく短くすることができるようになる。
【００２８】
電子線源４２として、Ｗ／ＺｒＯ熱電界放出型であって、電界効果型エミッタから成る電子線源を用いるようにしている。この電子線源は、電子を放出する先端部が鋭利な錘状をなし、該先端部それ自身が仮想光源を構成する。そして電子線は１０ｎｍ程度の分解能を有することなり、微小光源になっている。このことがコンデンサレンズの省略を可能にしている。
【００２９】
また本実施の形態の走査型電子顕微鏡は、とくに図４に示すように、電子線源４２からの電子線が、引出電極４３およびサプラス電極４４を通過した後に、上段側のガンレンズ４６によってスカート状の広がりが電界強度に応じて調整され、これによって電流密度が変化され、アノード４５のアパーチャで外側の余分な電子線束を取除いている。なおガンレンズ４６とアパーチャとの組合わせは一対でもよいが、上下２段に２対設けてもよい。図４は上下２段に２対設けた構成を示している。この場合は、下段側の複合ガンレンズ４６を通過する際に、下段のガンレンズ４６の電界によって分布制御が行なわれ、この結果電源密度が変化することになる。そしてここでも、その下段にあるアパーチャ５８によって外周側の電子が除去される。
【００３０】
ガンレンズ４６によってレンズアクション（電圧変化）により電流密度を変化した電子線が、この後偏向ユニット４７の中心部を通過し、対物レンズ４８によって絞られてステージ１５上の試料１６に照射される。とくに図４に示すガンレンズ４６による電流密度の調整は、電磁コイルによって構成されるコンデンサレンズから成る収束レンズの使用を省き、コンデンサレンズが受持つ機能を、電子銃に設けられた複合ガンレンズ４６によって達成することができる。従って、コンデンサレンズを用いることなくしかもコンデンサレンズを用いた場合と同等あるいはそれ以上の分解能を確保することが可能になる。
【００３１】
また本実施の形態の走査型電子顕微鏡は、図５Ａに示すように、８極の磁極の内の対向４極に非対称電圧を印加して偏向電界を発生することによって、ブランキング機能を可能にする。図５Ａに示すように、対向４極に非対称電圧を印加すると、ビームの中心が図５Ｂに示すように側方にシフトするようになり、電子ビームの中心がアパーチャ５８に対して側方に移動することになる。従ってこのアパーチャ５８を有する板状体によって電子ビームを遮断することができ、ブランキング機能が基本的機能として付加されることになる。
【００３２】
以上本願発明を図示の実施の形態によって説明したが、本願発明は上記実施の形態によって限定されることなく、本願発明の技術的思想の範囲内において各種の変更が可能である。例えば上記実施の形態は、半導体ウエハ上に形成されるパターンの幅等を測定するための測長用の顕微鏡として用いるものであるが、本願発明に係る走査型電子顕微鏡は、その他各種の用途に広く利用することが可能な走査型電子顕微鏡に利用することができる。また図４に示す構成は、ガンレンズとアパーチャの対を電子ビームの軸線方向に上下２段に配しているが、ガンレンズとアパーチャの対は、必ずしも上下２段に配することなく、１段であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本願発明は、測長用顕微鏡、また各種の試料の拡大画像を得るための走査型電子顕微鏡として広く利用することが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  電子光学系
１１  高真空ポンプ
１４  真空チャンバ
１５  ステージ
１６  試料
１７  搬送系
１８  ダイヤフラムポンプ
１９  ターボ分子ポンプ
２０  載置台
２１  除振システム
２３  ２次電子検出器
２４  信号処理系
２５  画像処理系
２６  表示装置
２９  高圧電源
３０  レンズ制御系
３１  ステージ制御系
３２  真空制御系
３５  外筐
３６  支持脚
３７  凹部
３８  操作子
４２  電子線源
４３  引出電極
４４  サプレス電極
４５  アノード
４６  アライメント／コンデンサ複合ガンレンズ
４７  偏向ユニット
４８  対物レンズ
４９  ＯＬアライメント
５０  非点補正
５１  シフトコイル
５２  偏向コイル
５３  シフトコイル
５４  偏向コイル
５７  ポール
６１  フランジ
６２  中心孔
６３  電極
【図１】
2016110865.tif 000003
【図２】
2016110865.tif 000004
【図３】
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【図４】
2016110865.tif 000006
【図５】
2016110865.tif 000007
【図６】
2016110865.tif 000008
【図７】
2016110865.tif 000009