(57)【要約】【課題】  本発明は、レンズ内部に偏向コイルや偏向極子等を設けることなく、実質的に、レンズ内部に偏向素子を設けた場合に実現可能なビーム偏向を行う荷電粒子線装置の提供を目的とする。【解決手段】  上記目的を達成するために本発明では、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束するためのレンズを備えた荷電粒子線装置であって、前記レンズの外壁の一部と、前記レンズの外壁の一部とは異なるレンズの他の一部との間を連絡する磁性体（２−４）と、当該磁性体内で磁場を発生するコイル（２−３）を備えた荷電粒子線装置を提案する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束するためのレンズを備えた荷電粒子線装置において、
前記レンズの外壁の一部である第一の部分と、前記レンズの外壁の一部とは異なるレンズの他の一部である第二の部分との間を連絡する磁性体と、当該磁性体内で磁場を発生するコイルを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第一の部分は、前記レンズの外周部の一部であり、前記第二の部分は、前記第一の部分に対し、前記荷電粒子ビーム光軸の軸対称位置であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記磁性体は、前記レンズの外周部に沿って形成される弧状、或いはリング状部材であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記レンズは、対物レンズであることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記第一の部分と第二の部分は、前記対物レンズの上磁極側、或いは下磁極側に設けられることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項６】
荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束するためのレンズを備えた荷電粒子線装置において、
前記レンズの外壁の一部である第一の部分と、当該第一の部分の前記荷電粒子ビームの軸対称位置である第二の部分と、前記第一の部分と第二の部分間の仮想直線に直交する仮想直交線と、前記レンズの外壁の交点を含む第三の部分と第四の部分に接続するリング状の磁性体と、当該リング状の磁性体内で磁場を発生するコイルを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記第一の部分、第二の部分、第三の部分、及び第四の部分のそれぞれに前記コイルが設けられることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項６において、
前記レンズの磁極の一端は、前記荷電粒子源側から見て、少なくとも４つに分割されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線装置に係り、特に、荷電粒子ビームを集束、偏向させる調整素子を備えた荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスは微細化によって性能向上と高密度化を進めている。しかしながら近年では微細化の限界を迎えつつあり、立体構造デバイスの開発が行われている。一方、半導体デバイスの出来栄えを評価するために、走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置が用いられている。走査電子顕微鏡は、測定、或いは検査対象パターンに対し、電子ビームを走査し、当該走査によって得られる二次電子等を検出することによって、対象パターンの画像や波形信号を形成する装置である。走査電子顕微鏡によって得られた画像や波形信号を用いて、パターンの寸法等が測定される。走査電子顕微鏡によって取得される画像は、試料表面に対して垂直な方向から見たトップダウン像であるが、上述のような立体構造デバイスを観察するためには、傾斜像を用いた測定や検査を行うことが望ましい。
【０００３】
傾斜像を得る方法には、（ａ）試料を傾斜させる方式、（ｂ）カラム（電子顕微鏡鏡体）を傾斜させる方式、（ｃ）電子ビームを傾斜させる方式などが知られている。
【０００４】
（ａ）（ｂ）のように、電子顕微鏡の構成要素（ステージやカラム）の物理的な移動を伴う手法の場合、装置構成が複雑になる。また、カラム或いは試料の傾斜の際に、両者が干渉しないように、十分に間隔を設けてカラムと試料ステージを設置する必要があり、試料と対物レンズとの間の距離（ワーキングディスタンス）が、傾斜機構を設けない場合と比較して増大する。ワーキングディスタンスが短い程、電子顕微鏡の分解能を高くすることができるため、ワーキングディスタンスは短い方が良い。
【０００５】
上述のような観点から、ビームを傾斜させる方式として、（ｃ）を用いることが望ましい。電子ビームを傾斜させるためには、電子ビームを理想光軸から離軸させるように、ビームを偏向させる偏向器を用いる。特許文献１には、対物レンズ下部に偏向コイルを設置することによって、ビームを偏向する構造が示されている。特許文献２には、対物レンズ内に設けられたインレンズ偏向ユニットによって、電子ビームを偏向する荷電粒子線装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２７６８１９号公報（対応米国特許ＵＳＰ６，７４７，２７９）
【特許文献２】特許第４６８９００２号（対応米国特許ＵＳＰ６，４５２，１７５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ビームを偏向するための磁場を発生する偏向コイルを対物レンズ上部に設置した場合、軸ずれ量が大きくなり、分解能が低下する場合がある。また、特許文献１に説明されているように、対物レンズ下部に偏向コイルが設置される場合、焦点距離が長くなり、分解能が低下する。そこで、特許文献２に説明されているように、対物レンズ内部に偏向器を設けることが考えられるが、対物レンズ内部は物理的制約が大きく、偏向コイルや対物レンズ以外の極子等を配置するためのスペースを設けることが困難である。
【０００８】
以下に、レンズ内部に偏向コイルや偏向極子等を設けることなく、実質的に、レンズ内部に偏向素子を設けた場合に実現可能なビーム偏向を行うことを目的とする荷電粒子線装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための一態様として、以下に、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束するためのレンズを備えた荷電粒子線装置であって、前記レンズの外壁の一部と、前記レンズの外壁の一部とは異なるレンズの他の一部との間を連絡する磁性体と、当該磁性体内で磁場を発生するコイルを備えた荷電粒子線装置を提案する。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成によれば、レンズ内部に偏向素子を設けることなく、実質的にレンズ内部に偏向素子を設けた場合に実現可能なビーム偏向を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】電子顕微鏡の概略構成図
【図２】実施例１における対物レンズのｚｘ平面図およびｘｙ平面図
【図３】実施例２における対物レンズのｚｘ平面図およびｘｙ平面図
【図４】実施例３における対物レンズのｚｘ平面図およびｘｙ平面図
【図５】実施例３における対物レンズの断面斜視図
【図６】実施例３におけるｙ方向偏向磁場印加時の通電方向
【図７】実施例３におけるｘ方向偏向磁場印加時の通電方向
【図８】実施例３における光軸上の主磁場分布
【図９】実施例３における光軸上の偏向磁場分布
【図１０】実施例４における対物レンズの断面斜視図
【図１１】実施例５における対物レンズのｚｘ平面図およびｘｙ平面図
【図１２】実施例５における対物レンズの断面斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に示す実施例では、ワーキングディスタンスの短縮化と、軸ずれ量の抑制の両立に基づく高分解能化を実現しつつ、レンズ内でビーム偏向を行うことが可能な荷電粒子線装置について説明する。
【００１３】
その具体的な一例として、対物レンズを備えた電子顕微鏡において、前記対物レンズの外周部に配置される偏向器用のコイルと、当該コイルが発生する磁場の通路となると共に、前記対物レンズの外周に沿って配置される磁性体を設置した荷電粒子線装置について説明する。
【００１４】
上記構成によれば、焦点距離の短縮化と、軸ずれ量の抑制の両立を実現しつつ、ビーム偏向を行うことができ、例えば、高分解能の傾斜像を取得することができる。より具体的には、レンズの外壁の一部である第一の部分と、当該レンズの外壁の一部とは異なる他の一部である第二の部分との間を連絡する磁性体を設け、当該磁性体内で磁場を発生するコイルを備えることによって、当該コイルで発生した磁場が連絡用の磁性体を介して、レンズ磁極内に伝達され、レンズの一方の極子間であって、レンズのビーム光軸の軸対称位置間のギャップを通過することになるため、偏向素子をレンズ外に設けても、レンズ内で偏向磁場を発生させることが可能となる。
【００１５】
以下に図面を用いて、レンズ外に偏向素子を配置しつつ、実質的にレンズ内でビームの偏向を実現できる荷電粒子線装置について説明する。
【００１６】
図１は電子顕微鏡の概略を示す図である。なお、以下の実施例では、電子顕微鏡を例にとって説明するが、以下に説明する実施例は、集束イオンビーム装置等の他の荷電粒子線装置への適用も可能である。電子銃１（電子源）から放出された電子は、カラム３の内部で対物レンズ２によって偏向及び収束し、試料室容器５の中に設置された試料７の所定領域に照射される。対物レンズ２の一部は正の電位が印加され、対物レンズ２近傍で電子が加速するブースティング方式で運用することが好ましい。例えば、電子銃の加速電圧４ｋＶ、対物レンズ印加電圧６ｋＶの場合には対物レンズ近傍の運動エネルギーは１０ｋｅＶとなる。
【００１７】
試料７は負の電位が印加され、試料７近傍で電子が減速するリターディング方式で運用することが好ましい。例えば、電子銃の加速電圧４ｋＶ、試料印加電圧-３ｋＶの場合には試料到達時の運動エネルギーは１ｋｅＶとなる。
【００１８】
電子ビームと試料７との大きな位置関係は、試料ステージ６により調整される。これに、対物レンズ２による電子ビームの偏向を加え、試料７の様々な部位を検査又は撮像する。なお、光軸８はレンズの回転中心軸を表す。電子ビームにより照射された試料７の表面からは反射電子や二次電子が放出される。電子顕微鏡は、このうち二次電子を二次電子検出部４で補足する。
【００１９】
試料室容器５の外側には磁気シールド８が設置されている。磁気シールド９を設けることで、装置外部からの外乱によって光軸８近傍の磁場が乱れ、電子ビームがずれる影響を抑制することができる。
【実施例１】
【００２０】
実施例１は、対物レンズを備えた電子顕微鏡において、前記対物レンズの外周部に配置される偏向器用のコイルと、当該コイルが発生する磁場の通路となると共に、前記対物レンズの外周に沿って配置される磁性体を備えることを特徴とする電子顕微鏡である。
【００２１】
図２に実施例１における対物レンズのｚｘ平面図およびｘｙ平面図を示す。対物レンズ２は、主コイル２−１、磁極２−２、ｙ方向偏向コイル２−３、磁性体２−４からなる。
【００２２】
主コイル２−１は電子を収束させるため、ｙ方向偏向コイル２−３は電子を偏向させるための磁場を発生する。図中の矢印はｙ方向偏向コイル２−３によって作られる磁場の方向を表しており、磁性体２−４、磁極２−２によって磁気的に閉ループを形成する。そして、磁極２−２先端部で空間に漏れた磁場によって偏向作用が生じる。
【００２３】
図２に示した実施例１の構造では、磁極２−２は一体型となっているが、磁極の上側と下側を分割しても構わない。上磁極と下磁極を分割することで、主コイル２−１の巻線や、組み立ての工程が容易になる利点がある。
【００２４】
上磁極と下磁極を分割した構造の場合には、電気的に結合せずにそれぞれ別の電位を与えて運用しても構わない。例えば、上磁極に６ｋＶ、下磁極に０Ｖの電位を加えることで電子を対物レンズ近傍で加速させるブースティング方式を容易に実現できる。
【００２５】
主コイル２−１、ｙ方向偏向コイル２−３は、絶縁被覆された銅線を用いることが好ましい。占積率を高めるため、平角線を使用しても構わない。磁極２−２、磁性体２−４、カラム３、磁気シールド９の材料は、比透磁率が高いものが好ましく、例えば、純鉄、フェライト、パーマロイなどの材料が好ましい。
【００２６】
この構成の利点は、コイルおよび磁性体の量を最小限にできる点である。これによって、コスト増加を抑え、かつ、高分解能の傾斜像を得られる電子顕微鏡が提供できる。
【００２７】
なお、上述したように図２の例では、ビームを理想光軸から離軸させる偏向磁場を発生するための偏向コイル２−３と、ビームを集束させる磁場を発生させる磁場を発生するための主コイル２−１が設けられている。図２に例示するような下磁極開放型レンズ（上磁極と下磁極間のレンズギャップが下方（試料側）に向かって開放されているレンズ）の場合、主コイル２−１が発生させる磁場によって形成される仮想的なレンズ主面は、上磁極下方に形成される。一方で、偏向コイル２−３が発生させる磁場は、上磁極間にてビームを偏向させる。
【００２８】
図２に例示するような構成によれば、上側（電子銃側）に偏向磁場を形成すると共に、相対的に下側（試料側）に集束磁場を形成することができるため、偏向磁場によって、ビームを理想光軸から離軸させ、集束磁場の振り戻し作用によって、ビームを傾斜させつつ、理想光軸に戻す傾斜照射を行うことが可能となる。無論、他の傾斜方式への適用も可能である。
【００２９】
また、ビーム傾斜を行うと、軸外色収差やコマ収差等が発生するため、発生した収差を相殺するための収差を発生させる対物レンズとは別のレンズを用意し、当該別のレンズに、偏向コイル２−３、及び磁性体２−４を設けるようにしても良い。
【実施例２】
【００３０】
実施例２は、前記対物レンズ外周に配置された磁性体の一部が光軸に対して回転対称形状であることを特徴とする電子顕微鏡である。
【００３１】
図３に実施例２における対物レンズのｚｘ平面図およびｘｙ平面図を示す。以下、実施例１との差分のみ示す。実施例２では、ｘ方向偏向コイル２−３、磁性体２−４がｚｘ平面に対し、鏡面対称の構造となっている。より具体的には、実施例１に例示した磁性体が弧状に形成されているのに対し、本実施例の磁性体はリング状に形成されている。実施例１で示した利点に加え、この構造の利点の１点目はコイルの数を増やすことで実施例１同等の起磁力を得るのに必要な電流を減らすことができる点である。これによって、消費電力が抑えられる、あるいは発熱量を減らすことができる。
【００３２】
この構造の利点の２点目は磁性体の対称性が高く、主磁場および偏向磁場の均一性が高いことである。したがって、実施例１より分解能を高くすることができる。
【実施例３】
【００３３】
実施例３は、前記対物レンズの偏向磁場を印加するためのコイルが２組以上あり、一方のコイルの作る偏向磁場と、もう一方のコイルの作る偏向磁場が直交することを特徴とする電子顕微鏡である。
【００３４】
図４、図５に実施例３における対物レンズのｚｘ平面図およびｘｙ平面図、実施例３における対物レンズの断面斜視図を示す。以下、実施例２との差分のみ示す。実施例３では図３に示した構成に加え、ｙ方向偏向コイル２−５が追加されている。具体的には、レンズの外壁の一部である第一の部分と、当該第一の部分の前記荷電粒子ビームの軸対称位置である第二の部分と、前記第一の部分と第二の部分間の仮想直線に直交する仮想直交線と、前記レンズの外壁の交点を含む第三の部分と第四の部分に接続するリング状の磁性体と、第一の部分、第二の部分、第三の部分、及び第四の部分のそれぞれにコイルが設けられている。
【００３５】
以下、主コイル２−１，磁極２−２，カラム３を非表示とし、ｙ方向偏向コイル２−３，磁性体２−４，ｘ方向偏向コイル２−５のみ表示した図６、図７を用いて偏向コイルの通電方向を説明する。
【００３６】
図６に実施例３におけるｙ方向偏向磁場印加時の通電方向を示す。ｙ方向に偏向磁場を印加する場合には、ｙ方向偏向コイル２−３を通電する。図中の矢印は各コイルの通電方向を表す。ｙ方向偏向コイル２−３の通電方向は+ｙ方向を向いて反時計周りである。このように通電することで磁性体２−４を経由し、光軸近傍に+ｙ方向の偏向磁場を印加することができる。
【００３７】
図７に、実施例３におけるｘ方向偏向磁場印加時の通電方向を示す。ｘ方向に偏向磁場を印加する場合には、ｘ方向偏向コイル２−５を通電する。図中の矢印は各コイルの通電方向を表す。ｘ方向偏向コイル２−５の通電方向は＋ｘ方向を向いて反時計回りである。このように通電することで磁性体２−４を経由し、光軸近傍に＋ｙ方向の偏向磁場を印加することができる。対物レンズ内の磁場強度は、ＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｒｉｎｇ）解析によって求めることができる。
【００３８】
図８に実施例３における光軸上の主磁場分布を示す。横軸はｚ、縦軸はＢｚである。電子を収束させるための主磁場は主コイル２−１で発生する。通電方向は＋ｚ方向を向いて反時計まわりとした。上磁極近傍で最も主磁場強度が強く、試料直前位置で収束作用を発生させられることがわかった。
【００３９】
図９に実施例３における光軸上の偏向磁場分布を示す。横軸はｚ、縦軸はＢｙである。電子を偏向させるための偏向磁場はｙ方向偏向コイル２−３、ｘ方向偏向コイル２−５で発生する。上磁極近傍で最も偏向磁場強度が強く、試料直前位置で偏向作用を発生させられることがわかった。
【００４０】
以上、電子を収束させるための主磁場、偏向させるための偏向磁場を対物レンズ内で発生させられることがわかった。
【００４１】
実施例２で示した利点に加え、この構造の利点はｙ方向偏向コイル２−３、ｘ方向偏向コイル２−５の電流の組み合わせによって、任意の方位角の偏向磁場を印加することができる点である。例えば、ｙ方向偏向コイル２−３、ｘ方向偏向コイル２−５の起磁力を等しくすれば、方位角４５度の偏向磁場を印加することができる。
【実施例４】
【００４２】
実施例４は、偏向磁場を印加するためのコイル、磁性体が下磁極の高さに設置してある電子顕微鏡である。
【００４３】
図１０に実施例４における対物レンズの断面斜視図を示す。以下、実施例３との差分のみ示す。実施例４では磁性体２−４、ｙ方向偏向コイル２−３，ｘ方向偏向コイル２−４の設置高さが異なる。このように下磁極と設置高さを揃えることで、下磁極の高さに偏向磁場を印加することができる。
【００４４】
実施例３で示した利点に加え、この構造の利点はより試料に近い位置で偏向作用を発生させることができ、軸ずれ量を小さくできる点である。この場合、レンズ主面近傍を偏向支点として、理想光軸より離軸するように、ビームが偏向される。
【実施例５】
【００４５】
実施例５は、前記対物レンズの下磁極が多極子であることを特徴とする電子顕微鏡である。図１１、図１２に実施例５における対物レンズの断面斜視図、実施例５における対物レンズの断面斜視図を示す。以下、実施例４との差分のみ示す。実施例５では下磁極にスリット２−６があることである。スリット２−６を設け、磁極端を分割することで光軸に漏れる偏向磁場の量が大きくなる。本実施例では、分割数を４つにすることで、Ｘ方向とＹ方向への偏向の際の偏向磁場を大きくすることができる。
【００４６】
実施例３で示した利点に加え、この構造の利点は単位電流あたりの偏向磁場強度が大きくなることである。これによって、電子ビームの傾斜角度を大きくする、あるいは電流量を小さくすることができる。
【００４７】
上述のような構成によれば、偏向手段の追加に伴う軸ずれ量の増加、焦点距離の増加による分解能低下を防ぐことができ、高分解能の傾斜像を得ることが可能な電子顕微鏡を提供できる。
【符号の説明】
【００４８】
１  電子銃
２  対物レンズ
３  カラム
４  二次電子検出部
５  試料室容器
６  試料ステージ
７  試料
８  光軸
９  磁気シールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2016051534.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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