SEM - 名城大学1970年 Crewe教授を招いてFE-SEMを開発 ⇒1972年に製品1号機が完成 Albert V. Crewe (1927-2009) HFS-2 1号機）【開発チーム】 0 1000 2000

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日本顕微鏡学会電子光学設計技術研究部会

低加速FE-SEMのレンズ光学とCD-SEM応用

小瀬洋一

2016/3/26

株式会社日立ハイテクノロジーズ科学システム設計開発本部

平成24年度日本顕微鏡学会写真コンクール最優秀作品賞受賞

ミクロハヤブサ

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内容

１．走査電子顕微鏡（SEM）の像形成原理

２．SEMの解像限界

電子源、レンズ収差、収差低減

３．CD-SEM応用


②

試料に集束する電子を「一次電子ビーム」、または「電子プローブ」と言う

電子

①

試料

電子源

SEMの像形成原理

プローブは探針の意味

凸レンズによる太陽光の集光

集束レンズはこれと同じ機能

走査電子顕微鏡 SEM（Scanning Electron Microscope)

【参考】集束レンズ（電子を試料に集束する）


電子

①

④

電子の衝突点から信号電子が飛び出す

走査電子顕微鏡 SEM（Scanning Electron Microscope)

衝突した電子

③ 偏向器（電子の進路を曲げて、試料の色々な場所に電子を当てる）

走査 (Scan) 走査

②

集束レンズ（電子を試料に集束する）

電子源 ⑤

検出器

SEM像

信号電子の量を画像の明るさで表示

試料

SEMの像形成原理


一次電子ビームの走査と像倍率

試料上での電子の走査表示されたSEM像

SEM像の倍率 MSEM ＝ W L 【具体例】走査幅 L＝10 μm

像の表示幅 W＝100mm

像倍率 MSEM ＝10000倍

走査幅 L SEM像の表示幅 W

SEM像の倍率MSEM はビームの走査幅Lで決まる

試料（ユリの花粉）


真空ポンプ

SEMの構成

電子源で一次電子を発生して加速する(0.5kV～30kV)

プローブ電流を制御する

一次電子（プローブ）を走査する

検出器

一次電子を試料上に集束する

ディスプレイ

真空ポンプ

所望の視野に試料を移動

試料ステージ

電子銃

対物レンズ

集束レンズ

走査コイル

信号電子を検出する

SEM像を表示する

電子線通路を真空にする

電子源

信号電子

一次電子

//HHTFSV3/DEVICE/DATA/USER/デセ先端戦略/大野専用ＳＥＭＥＶＯ/sem20041222/semevo/semgarden/others1-2.html

//HHTFSV3/DEVICE/DATA/USER/デセ先端戦略/大野専用ＳＥＭＥＶＯ/sem20041222/semevo/semgarden/others1-2.html


モンテカルロシミュレーション（試料：炭素）

加速電圧と電子の侵入深さ

電子の侵入深さ深い浅い

SEM像の性質表面が透けて見える表面が良く見える

高加速電圧低加速電圧

侵入深さ


加速電圧 5kV （二次電子像）

試料：リチウム電池材料倍率：15万倍

加速電圧 1kV （二次電子像）

低加速電圧では表面状態が良く見える

加速電圧とSEM像のコントラスト

高加速電圧では表面が透けたように見える





３．CD-SEM応用

内容





３．CD-SEM応用

内容


SEMの見える限界

電子プローブの広がり（プローブサイズ d ）で像がぼける

電子プローブの広がり

プローブサイズ d

スポット像

プローブが小さいとき

プローブが大きいとき

加速電圧：2kV 試料：ITO膜

300nm

スポット像

スポット像

電子源

レンズ

試料

一次電子

i2

SEMの見える限界は何で決まるのか

SEMの分解能 ≒ プローブサイズ d


電子源

レンズ

試料

電子源サイズ

or2

ir2

結像サイズ

M: 結像倍率(= b/a)

a

b

プローブサイズと電子源の関係

oi Mrr

電子プローブは試料上に結像した電子源の像（スポット像）

Mを小さくすれば、プローブ径(2ri)は小さくなる

ri の最小値は、電子源の輝度（明るさ）で制限される

スポット像

電子源の結像

2ri


電子源の輝度

陰極

面積：So = πro2

do=2ro

電子源

見かけ上の電子放出領域

2αo

電子の放射角

立体角：Ωo=παo2 (sr)

放出電子

22

oo

p

oo

p

r

I

S

IB

輝度の定義

ビーム電流：Ip (A)


電子源（物面）

レンズ

試料（像面）

i2

o2

電子源サイズ

or2

ir2

結像サイズ M: 結像倍率(= b/a)

輝度の性質

a

b

pI

22

oo

p

or

IB

物面の輝度：

22

ii

p

ir

IB

像面の輝度：

oiM

1

oi Mrr レンズの基本性質

輝度は像面と物面で等しい

o

oo

p

oo

p

ii

p

i Br

I

MrM

I

r

IB

22

2

2

2222 1


電子源輝度とプローブサイズの関係

B

Ird

p

i

i

22 プローブサイズ：

22

ii

p

ir

IBB

像面の輝度の式：

riを解くと

・・・電子源輝度

・・・プローブ電流

d

プローブサイズ

電子源の輝度 B

回折直径 i

dd

61.0

（Log）

（Log） Ipが小さいとプローブサイズが小さい

分解能の物理限界

（Ip: 大）

輝度Bが高いとプローブサイズが小さい

（Ip: 小）


SEM観察に必要なプローブ電流

B

Ird

p

i

i

22 プローブサイズ：

・・・電子源輝度

・・・プローブ電流

プローブ電流 Ip が減少

SEM像の例

Ip＜1pA Ip ～１pA Ip ＞100pA

SEM像の観察には、数pA以上のプローブ電流 Ip が必要

プローブサイズの縮小には輝度の高い電子源が不可欠


200 µm

電界放出（FE）形電子源 Cold Field Emitter

W単結晶

1 mm

タングステン（W）フィラメント Thermionic Emitter (Tungsten filament)

Thermionic emitter

Source size (電子源サイズ) 10 µm

Brightness (輝度) 5x105 A/cm2sr

Energy spread (エネルギーばらつき) 2 eV

Operating Temperature (加熱温度) 2800 K

Required vacuum (真空度) < 10-3 Pa

Cold field emitter

3 nm

1x109 A/cm2sr

0.3 eV

300 K (R.T.)

10-8 Pa

電子源の種類と特性

100 kV/mm 2800K

300K

10μm

3 nm

電子源領域


105 106 107 108 109 1010

電子源輝度 B （A/cm2/sr）


FE電子源 Wフィラメント

i

dd

61.0

B

Id

p

i

2

電子の回折現象

プローブサイズはこの値よりも小さくならない

電子源の種類とプローブサイズ

（Ip: 10pA）

FE電子源を使えば、プローブサイズが回折直径（dd）まで小さくなる

d


電子源とSEMの分解能の関係

微粒子

5 μm

Wフィラメント形電子源

B=５×105 (A/cm2/sr)

FE電子源

B=１×109 (A/cm2/sr)

拡大

輝度の高いFE電子源を使ったSEM（FE-SEM）は、分解能に優れている


FE-SEMの始まり

1964年シカゴ大学のA.V.Crewe教授がFE電子源を開発

1970年 Crewe教授を招いてFE-SEMを開発 ⇒1972年に製品1号機が完成

Albert V. Crewe (1927-2009)

HFS-2形（製品1号機）

【開発チーム】

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

70' 72' 74 ' 76 ' 78 ' 80 ' 82 ' 84 ' 86 ' 88 ' 90 ' 92 ' 94 ' 96 ' 98 ' 00 ' 02 ' 04 ' 06 ' 08' 10'

3000

累積出荷台数

年代 1980年 1990年

HFS-2

安定性向上の研究

（10年間）

1970年

S-800

産みの苦しみ

FE-SEMの出荷推移


2αi

電子源

観察試料

プロ

ーブ

サイ

ズ d

開口角 αi

分解能改善

最適値

劣化到達分解能

dd

開口角（αi）と分解能の関係

B

Id

p

i

2

開口角（αi）を大きくするとプローブサイズ（d）が小さくなる


i

ddd

61.0FE電子源

開口角（ αi ）が最適値を超えると、プローブサイズが拡大に転じる

開口角（ αi ）が大きくなるとレンズ収差が顕在化する

理由

SEM像

分解能劣化

（回折直径になる）


レンズ収差とは

集束領域

小さいスポットができる

対物レンズ

SEM像

電子軌道

一次電子

集束性：良好

（狭い）

レンズ収差

集束領域

対物レンズ

スポットが広がる

SEM像

電子軌道

一次電子

集束性：悪い

（広い）

レンズ収差とは、レンズの外側でビーム集束性が悪化する現象


高分解能化の方法

２α i

レンズの中心部でビームを集束する

ビーム集束角を拡大する

トレードオフ

焦点距離を短縮すると、レンズ中心部で大きなα i を実現

⇒ 分解能が向上

電子源

試料

対物レンズ

焦点距離(f)

電子ビーム

焦点距離を短縮解決策

レンズ収差を押さえる

回折を押さえる

高分解能化の要件


対物レンズの高分解能技術

レンズ磁場

検出器

試料

レンズ磁場

一次電子

二次電子

一次電子

二次電子検出器

アウトレンズ方式

（一般定なSEMの対物レンズ）

インレンズ方式（1985年開発）

コイル

磁路

試料

コイル焦点距離

対物レンズの焦点距離を短縮すると、SEMの分解能が向上する

SEMの中で高分解能が最も高い


試料：カーボンナノチューブ（CNT）

倍率： 300万倍（STEM像） CNTの格子像（0.34 nm）が可視化

1nm

最新のインレンズSEM 日立SU9000

0.34nm

インレンズSEMの性能





３．CD-SEM応用

内容


ビーム径を決める要素：収差

収差の分類

回折収差

レンズ収差

幾何収差（ザイデル収差）

色収差

光源収差

光線の波動性に起因する収差（回折限界）（レンズを通過しない光学系でも発生する収差）

レンズ通過位置、角度に依存して発生する収差

エネルギーのバラつきに起因する収差

光学系の物面側から像面に投影される収差 Copyright©2015 Hitachi High-Technologies Corporation All Rights Reserved. 28

幾何収差（ザイデルの5収差）

球面離軸の大きい光線ほど手前にフォーカス

コマ軸外光線が流れて収束

非点 X方向とY方向でフォーカス位置が異なる

像面湾曲

入射位置に依存して平面上にフォーカスしない

歪曲方形の物体が方形の像を結ばない

歪曲収差

X方向

Y方向

非点収差

X焦面 Y焦面

非点較差

球面収差

像面湾曲収差

コマ収差


SEMのビーム径

電子源エネルギー幅：ΔE

光学系球面収差色収差

試料

絞り：開き角α

E

ビーム径：

照射電圧

2

ch

2

sp

2

diff dddd

SEMのビーム径は、回折収差(∝1/α)、球面収差(∝α3) 、色収差(∝α)により決まる最適値が存在

色収差 ∝α

回折収差 ∝1/α

球面収差 ∝α3

3

Ssp4

1Cd

61.0diff d

E

ECd

Cch

2

1


加速電圧 1 kV （低加速） 10 kV （高加速）

ビーム径

の開き角

依存性

最適

開き角 12.2 mrad 11.4 mrad

最適

ビーム径 3.0 nm 0.85 nm

SEM分解能の計算例

球面収差係数（Cs）：1mm、色収差係数（Cc）：1mmの対物レンズの場合

2

diff

2

ch

2

sp dddd

回折 & 色回折 & 球面

低加速では色収差低減、

高加速では球面収差低減が

高分解能を得る上で重要





３．CD-SEM応用

内容


レンズ収差の低減手段

色収差の低減球面収差の低減

最終凸レンズ手前に凹レンズを形成することで、色収差&球面収差を低減

E E－ΔE

収差補正器収差補正器


E E－ΔE

色収差の低減球面収差の低減

凹レンズによって凸レンズ単独の場合と比べ短焦点化される

f f’ f f’

f ＞ f’ f ＞ f’

レンズ収差の低減手段


① ② ③

レンズ構成の模式図

レンズ短焦点化の手段

*WD = Working Distance：作動距離試料と対物レンズ先端部の距離

①短WD*にする

②磁界レンズ主面を試料に近づける

③電界レンズの利用

f

磁界レンズ

試料

磁界レンズ

試料

f

磁界レンズ

試料

f

電界レンズ

合成レンズの主面

f0

f0 f0



① ② ③


①短WD*にする



f

磁界レンズ

試料

磁界レンズ

試料

f

磁界レンズ

試料

f

電界レンズ


f0

f0 f0



SEM対物レンズの種類

対物レンズアウトレンズ型セミインレンズ型インレンズ型

漏れ磁界なしありあり

レンズ配置 & 検出系

レンズ磁界分布

SE軌道 BSE軌道

試料

レンズ磁界

検出器

偏向場（ExB）

検出器

レンズ磁界

試料

f

試料検出器

偏向場（ExB）

検出器

レンズ磁界

f f

zB zB zB離軸量離軸量離軸量



① ② ③


①短WD*にする



f

磁界レンズ

試料

磁界レンズ

試料

f

磁界レンズ

試料

f

電界レンズ


f0

f0 f0


リターディング法ブースティング法

（電圧の印加の仕方で分類）


一様電界バイポテンシャルレンズカソードレンズ

ーブースティング法リターディング法

電界レンズ（減速電界レンズ）

等電位面

SEMで重要な電界レンズはバイポテンシャルレンズとカソードレンズ磁界レンズとは異なり、レンズ通過前後でエネルギーが変化磁界レンズで電子線を高速通過させ、試料直前で減速すると短焦点化

高エネルギー

低エネルギー

高エネルギー

低エネルギー

レンズ作用なし

電子に働く力

凹

凸

凹


バイポテンシャルレンズ

バイポテンシャル電界レンズ

バイポテンシャルレンズでは凸レンズと凹レンズが形成されるが電界レンズ全体では凸レンズになる（Scherzerの定理）

高エネルギー

低エネルギー

Z 試料（GND）

高電位電極（8kV）

低電位電極（GND）

エネルギー： 9keV


凹

凸

高エネルギー側には凹レンズ

低エネルギー側には凸レンズ



高エネルギー

低エネルギー

Z

f 合成レンズ

試料（GND）

高電位電極（8kV）

低電位電極（GND）



凹

凸





高エネルギー

低エネルギー

ただし、電界レンズ適用が有効なのは低加速域（＜約1kV）

理由 ①色収差が顕在化するのは低加速域（＜約1kV）のみ

②高エネルギー電子を電界レンズでフォーカスするには、高電圧が必要（10kVのフォーカスに約100kV必要）

凹

凸




電界レンズによる磁界レンズの短焦点化

VL = V0 － VD 照射電圧

初期電圧

減速電圧

磁界レンズの短焦点化 = 高化 EIN

照射電子線に磁界レンズを高速で通過させ試料直前で減速

低加速（＜約1 kV）で色収差を低減し、高分解能化

1 V0 色収差 ∝

試料

減速電界

VL VD

VL = V0 － VD

磁界レンズ

V0

試料にぶつかる時のエネルギー

磁界レンズを通過する時のエネルギー


減速法の種類

減速法：磁界レンズを高速通過させ低加速で高分解能化

・ブースティング法（光源側に正電圧印加）

・リターディング法（試料側に負電圧印加）

ブースティング法リターディング法

アウトレンズに適用した場合の構成模式図

＋

―

1 V0 色収差 ∝

試料

減速電界

VL VD

VL = V0 － VD

V0


合成レンズ主面の位置：～物点から延びる接線と像点から延びる接線の交点

物点

像点

磁界レンズ

電界レンズ

アウトレンズSEM ＆ブースティング法

アウトレンズSEM

ブースティング法による短焦点化



物点

像点

磁界レンズ

元の光学系のレンズ主面

合成レンズのレンズ主面

電界レンズ f’ f0

アウトレンズSEM ＆ブースティング法

アウトレンズSEM

ブースティング法による短焦点化


リターディング法による短焦点化


物点

像点

磁界レンズ

f’ f0

セミインレンズSEM ＆リターディング法

セミインレンズSEM




リターディング法を適用したセミインレンズSEMの光学系の短焦点化は液浸によるN.A.増大と本質的に同様の原理

物点

像点

磁界レンズ

f’ f0





f0 f’



像点

磁界レンズ



リターディング法による短焦点化


リターディング法適用の効果

リターディング法の適用により、適用なしの場合と比べ高分解能化

（金粒子の輪郭を鮮明に観察）

減速なし (VD=0 V) あり(VD= 2.5 kV)

VL 1 kV

V0 1 kV 3.5 kV

SEM 画像

分解能 2.0 nm 1.3 nm

装置： SU8000 試料：金微粒子/磁気テープ

50 nm

1 V0 色収差 ∝

試料

減速電界

VL VD

VL = V0 － VD

V0


内容




３．CD-SEM応用


分解能を上げるにはレンズ磁界と試料の距離（焦点距離）を縮める

試料を磁界に

近づける

レンズ磁路レンズ磁界

試料

レンズ磁路レンズ磁界

磁界の方を試料に

近づけられないか？

逆の発想

対物レンズのブレークスルー

半導体ウェハ観察用の対物レンズ


レンズ磁界位置を下げるには磁極を下向きに

配置すればよい

セミインレンズ形対物レンズ

レンズ磁路レンズ磁路レンズ磁界レンズ磁界

試料

従来の対物レンズ

磁力線磁力線

セミインレンズ方式の製品化

試料がレンズ磁界中に配置

半導体ウェハ観察用の対物レンズ


リターディング技術

•ウェーハに負電位を印加することで、加速電圧を高くして収差を抑制し、一方でウェーハへの着地エネルギーは低くおさえることでダメージや帯電などをおさえられる技術

ｳｴｰﾊ印加電圧 2KV

ブースティング技術

•対物レンズ内を通過する電子ｴﾈﾙｷﾞｰを高めて収差を抑制するとともに、ウェーハ表面に入射電子が衝突して発生する２次電子を検出器に効率よく導く、対物ﾚﾝｽﾞ上磁極に電圧を印加するﾌﾞｰｽﾃｨﾝｸﾞ技術

加速電圧 1KV→3KV

ｳｴｰﾊ着地電圧 1KV

２次電子検出器

２次電子上磁極

測定精度（分解能）の向上技術


軸対称電場磁場解析

コイル

上磁路

下磁路

試料

計算格子解析結果

1rad MM

CC cs

,

,軌道G

軌道H

B

oz iz

1

z

近軸軌道解析軸上データの転送

電子光学系シミュレータの活用


最適開き角での分解能

0

2

4

6

8

10

0 3 6 9 12 15

d

(nm) 4

8

12

16

20

i (mrad)

d

i

ブースティング電圧(kV)

0

分解能

最適半開角

最適範囲

最適ブースティング電圧


セミインレンズ方式の半導体産業への応用

55

0

500

1000

1500

2000

2500

83 85 87 89 91 93 95 97 99 01

年度

累積出荷台数

製品投入

測長SEMの出荷推移

急速に普及

0.2 um

測長再現性

±1% or

0.3nm (3σ )

（@標準試料）

◆フルオート ◆高精度測長

測長SEMは、Siウェハ上に作られた

半導体デバイスのパターンを高精度に自動計測する専用装置。

微細化が進む半導体デバイスの

製造に測長SEMが応用されている。

半導体デバイスのSEM像測長SEMの外観

（セミインレンズ方式）

セミインレンズ


光学顕微鏡（分解能～1µm）

光学顕微鏡の分解能限界でパターンの計測精度が出ない

2000年 1990年 1980年 2010年

プロセスノード/DRAMメモリ容量(ビット/チップ) 3 µm

64K

1.2 µm

1M

0.5 µm

16M

0.35 µm

64M

0.13 µm

256M

0.09 µm

1G

0.045 µm

4G

0.022 µm

8G

パターン寸法検査（1985年～）⇒ 電子顕微鏡（測長SEM） (8nm) (1.8nm) (1.45nm) (5nm) (3nm) (2nm)

半導体技術の進歩と測長SEMの役割

(15nm)

(分解能)

1985年

2012年

1989年 1993年

1999年 2003年

2007年

分解能が1桁向上


S-6000:15nm S-6100:8nm S-8800:5nm

S-9200:3nm S-9380:2nm

ﾚｼﾞｽﾄﾗｲﾝﾊﾟﾀｰﾝ加速電圧：800V ﾌﾟﾛｰﾌﾞ電流値：4pA 倍率：200k倍

分解能向上（擬似的に画像をぼかしたもので比較）


最新型装置一世代前 1.35nm

■高分解能化最新型の装置では分解能1.5nmを上回り、プロセス開発が進んでいる7nmパターンの高精度計測をカバー。

分解能の向上に向けて


まとめ

（1）輝度の高い電界放出形電子源（FE電子源）の実用化で SEMの分解能が飛躍的に向上した。

（2） SEMの解像限界は対物レンズ収差に依存し、収差低減には短焦点化の手法（セミインレンズ、リターディング法、ブースティング法）が有効であることを示した。

（3）大型試料を扱うCD-SEMに上記短焦点化手法を応用し、半導体デバイスの微細化に適合した分解能を実現した。

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2016/3/26

小瀬洋一

END

ミクロネーション（V-P-O触媒）

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