JP2006156134A

JP2006156134A - 反射結像型電子顕微鏡

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Publication number: JP2006156134A
Application number: JP2004345113A
Authority: JP
Inventors: Hisaya Murakoshi; 久弥村越; Hideo Todokoro; 秀男戸所; Masaki Hasegawa; 正樹長谷川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】ミラー電子顕微鏡の高コントラスト化を実現する。
【解決手段】ミラー電子顕微鏡の照射電子線１０１と反射電子線１０２を分離させるセパレータ４を対物レンズ５と中間レンズ８の間に配置し、反射電子線１０２の対物レンズ５の焦点位置４１に形成される電子線回折像が中間レンズ８により投影される位置４３に制限絞り１４を配置する。この制限絞り１４を用いて反射電子線を制限することにより、ミラー電子顕微鏡像のコントラストを改善させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料の表面状態などを観察するミラー電子顕微鏡などの反射結像型電子顕微鏡に関する。

電子線を用いて、試料を観察する装置としては、試料を透過した電子線を結像する透過型電子顕微鏡や試料上に集束した電子線を走査して、試料から発生した二次電子などの強度を画像化する走査型電子顕微鏡などがある。図７に示す従来の透過電子顕微鏡の構成では、対物レンズ５の後焦点面４１上に制限絞り１４を配置して、試料７との相互作用により散乱する電子線だけを通過させるいわゆる暗視野像条件で画像化することにより、散乱した電子線を強調する像形成をすることが可能となっていた。しかし、これらの電子顕微鏡は試料に電子線を照射することにより試料に損傷を与える恐れがあり、損傷しやすい試料の観察をおこなうことは困難であった。

これらの従来方法に対して、試料を電子源電位とほぼ同電位に設定して、試料に電子線が入射する直前で試料の情報を反映した方向や強度を持って向きを反転して反射するミラー電子を画像化する技術が特開平２００３−２０２２１７に記載されている。図５に表面に凹凸のある試料に対して試料直上の等電位面Ａで反転するミラー電子の軌道を示す。試料直上の等電位面Ａでは試料の凹凸を反映した電位歪が生じており、この電位歪によってミラー電子が横方向に散乱される。この横方向に散乱された電子を含むミラー電子を画像化すれば、電位歪に関する情報を得ることができる。

特開平２００３−２０２２１７

従来のミラー電子顕微鏡では、照射電子線はあるエネルギーの広がりを持って試料に照射されるので、エネルギー幅の大きな照射電子線では、エネルギーの小さな照射電子は試料の直前まで達することなく試料より遠方の等電位面で反転してしまう。図６に示す試料から離れた等電位面Ｂで反転するミラー電子の軌道を示す。等電位面Ｂでは電位歪が小さく凹凸面上方のミラー電子も横方向に散乱されないようになる。このような条件では、横方向に散乱した電子線が大部分の散乱しないミラー電子線と区別できなくなり、ミラー電子画像のコントラストが小さくなってしまうという問題があった。図８に示すように照射電子線１０１と反射電子線１０２を分離させるセパレータ５１が、対物レンズ５より電子源側にあるため、対物レンズ５を含むセパレータ５１と試料７の間の区間では、照射電子線１０１と反射電子線１０２がほぼ同じ空間を運動することになる。

ここで、反射電子線１０２の電子線回折像は対物レンズ５の焦点面４１上に形成されるので、制限絞り１４を対物レンズ５の焦点面４１上に配置して、特定の散乱方向の反射電子線１０２を選択して制限絞り１４を通過させることにより、散乱の少ない反射電子線を選択的に結像させる明視野像や散乱した反射電子線を選択的に結像させる暗視野像を得ることができる。しかし、この制限絞り１４は照射電子線１０１に対しても試料への照射角度を制限する制限絞りとして作用する位置に配置されるため、反射電子線の散乱方向に合わせて制限絞りを調整すると、照射電子線１０１が制限絞りに衝突してしまい、試料に照射できなくなるという問題があった。

本発明は、上述の点に着目してなされたものであり、ミラー電子顕微鏡で特定の散乱方向の反射電子線画像を、照射電子線１０１に影響を及ぼすことなく形成できる装置構成を実現することを目的とする。

本発明の目的は、以下の方法で達成できる。
本発明では、反射電子線１０２の試料出射角度を制限する制限絞り１４を、電子線回折像が形成される対物レンズの焦点面４１近傍ではなく、セパレータ５１により照射電子線１０１と反射電子線１０２が分離後に形成される電子線回折像の後段レンズによる投影像面近傍に制限絞り１４を配置させることによって、暗視野像が形成できるようにした。本発明の原理を図９、図１０で詳細に説明する。
ここでは、セパレータ５１として、電界と磁界を交叉させて動作させるＥｘＢ偏向器４を用いることにする。ＥｘＢ偏向器は、電界と磁界を直交かつ重畳して動作させる偏向器である。図１１を用いてこの動作を説明する。加速電圧Ｖ_０の電子線が図１１に示す長さ２ｌ、間隔ｄの平行平板電極型の静電偏向器で偏向される偏向角θ_Eおよび長さ２ｌの均一磁界偏向器で偏向される偏向角θ_Mは、それぞれ次式で与えられる。

電界による偏向と磁界による偏向が打ち消しあう条件

をウィーン条件と呼び、図１１でウィーン条件に設定されたＥ×Ｂ偏向器に上方から入射した電子線は直進し、下方から入射した電子線はθ_E+θ_M＝２θ_Eの偏向を受けるという特性を持つ。

照射電子線１０１の軌道を図９に示す。照射電子線１０１の光軸１０３と反射電子線１０２の光軸１０４は、θ_INの角度で交差している。ＥｘＢ偏向器４は照射電子線１０１に対しては偏向角θ_IN＝θ_E+θ_Mの偏向器、反射電子線１０２に対してはウィーン条件θ_E＝θ_Mが成り立ち、直進させるように動作する。すなわち、照射電子線１０１はＥｘＢ偏向器４により電子源を含む光軸１０３から試料に垂直な光軸１０４方向に角度θ_IN偏向された後、対物レンズ焦点面４１近傍に集束することにより、試料７を平行照射することができる。照射電子線１０１が試料７からミラー反射した反射電子線１０２の軌道を図１０に示すが、対物レンズ焦点面４１は透過電子顕微鏡の電子線回折像位置に相当し、試料７から同じ方向に散乱された電子線はこの焦点面４１上に集束するので、この対物レンズ焦点面（電子線回折像）位置に制限絞り１４を配置すれば反射電子線１０２の散乱方向を制限することができる。しかし、暗視野像を得るために制限絞り１４を結像系の光軸１０４から離すと、照射電子線１０１をすべて制限することになり、試料７に照射電子線１０１を照射することができなくなる。

この課題を解決するために、反射電子線１０２がセパレータを通過後に、中間レンズ８によって投影される電子線回折像の結像面４３に制限絞り１４を配置して、この結像面４３上を可動であるようにした。図中では、試料７から３つの方向に散乱された電子線の軌道を記述しているが、円孔状の制限絞り１４を図中光軸１０４より右側にずらして、試料から図中左上方向に散乱された反射電子線だけを通過させることにより、左上方向に散乱された電子線のみの投影像を観察することができる。また、制限絞りの形状を図１２に示すような円環状の形状とすれば、円環の内径Ｒ₁及び外径Ｒ₂で規定される散乱角度範囲のミラー電子による投影像を形成することができる。

ここで、上述の説明では暗視野像を得るために円孔形状の制限絞りを光軸から離した条件で用いていたが、照射電子線を試料に垂直に照射する条件でなく傾斜させて照射して、結像系の光軸方向に反射した反射電子線を取得することにより、反射電子線の軸外収差が小さい投影画像を得ることができる。この原理を図１３、図１４により説明する。照射電子線１０１をＥｘＢ偏向器４により電子源を含む光軸１０３から試料に垂直な光軸１０３方向に角度θ_IN偏向した後、対物レンズ焦点面４１近傍に集束させることにより、試料７を試料に垂直な方向から平行照射させることができる。照射電子線１０１の軌道を図１３に示すが、ミラー電子顕微鏡条件では、照射電子線１０１と反射電子線１０２のエネルギーが等しいので、対物レンズによって試料５の反射電子線投影像が形成される像面位置４２近傍に配置されるＥ×Ｂ偏向器４の位置が、照射電子線１０１が試料５にクロスオーバを結ぶための照射電子線の物面位置に相当する。したがって、Ｅ×Ｂ偏向器４で照射電子線１０１を例えば角度θ_D偏向させると、円孔電極６に角度θ_APの偏向角で入射し、光軸から傾斜した平行の照射電子線で試料上の同じ位置を照射することになる。したがって、照射電子線を円孔電極６に角度θ_APの偏向角で入射させ試料の同じ場所を照射させるためには、Ｅ×Ｂ偏向器４のＸ偏向器、Ｙ偏向器に角度θ_Dの偏向角に相当する偏向信号を偏向角θ_INに相当する偏向信号に重畳して供給すればよい。なお、このθ_APとθ_INの関係はそれぞれのレンズ配置と動作条件が定まれば、一義的に決定されるものである。

図１４に示す反射電子線１０２は、対物レンズ焦点面４１上で試料出射方向に対応する電子線回折図形を形成するが、この焦点面位置に制限絞り１４を配置すると、照射電子線１０１を制限してしまうので、反射電子線１０２がＥ×Ｂ偏向器４を通過後、中間レンズ８により電子線回折像が投影される位置４３に制限絞り１４を挿入する。反射電子線１０２がこのＥ×Ｂ偏向器４で偏向されると電子線回折像位置が変化してしまうが、このＥ×Ｂ偏向器４は反射電子線１０２に対して、Ｅ×Ｂ偏向器４の磁界と電界が逆方向に等しい大きさで作用するいわゆるウィーン条件が成り立つように動作させれば、反射電子線はＥ×Ｂ偏向器４で偏向されずに電子線回折像を投影することができる。

あるいは、試料７上の同一場所を照射角一定で照射方向を連続的に変化させて照射するいわゆるホローコーン照射する手段を設け、散乱された反射電子線のうち、光軸方向に散乱された反射電子線を選択する制限絞り１４を対物レンズ５の焦点面が中間レンズによって投影される投影面４３に配置することによって、特定の散乱角度の反射電子線のみを選択できる構成とすることもできる。この原理を図１５、図１６で説明する。照射電子線１０１の軌道を図１５に示す。Ｅ×Ｂ偏向器４の偏向電極で照射電子線１０１をＸ方向に角度θ_E偏向させるための電極供給電圧をＶ_Xとし、ホローコーン照射のためにθ_D/2の角度を偏向させるための供給電圧をＶ_Dとすると、図１７に示すようにＸ偏向器に、Ｖ_X＋Ｖ_Dｃｏｓ（ｔ）、Ｙ偏向器にＶ_Dｓｉｎ（ｔ）の偏向信号を供給する。さらに、磁界生成においても、常にＥ×Ｂ偏向器４が反射電子線に対してウィーン条件となるように、磁界を生成するための偏向コイルに、θ_D/2の角度を偏向させるための正弦波および余弦波信号を供給すると、照射電子線は歳差運動しながら試料の照射位置を変えずに照射することができる。図１６に示す反射電子線１０２は対物レンズ焦点面４１上に電子線回折図形を形成し、反射電子線１０２がＥ×Ｂ偏向器４を偏向されずに通過後、中間レンズ８によりこの電子線回折像が投影される位置４３に制限絞り１４を挿入することにより、ミラー電子顕微鏡の暗視野像を得ることができる。

本発明により、反射された電子線の散乱方向を選択的に制限できる投影画像を取得することで、軸外収差の少ないコントラストの高い像観察を行うことが可能となる。

以下に、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、実施例１の動作を説明するための構成を示したものである。セパレータとしてＥ×Ｂ偏向器４を反射電子線１０２の結像面４２近傍に配置させる。電子源を含む照射系の光軸１０３とウェハ７に垂直な結像系の光軸１０４とは、互いにθ_ＩＮの角度で交叉している。コンデンサレンズ３と対物レンズ５の間にＥ×Ｂ偏向器４が配置されており、電子源１より放出された照射電子線１０１は、Ｅ×Ｂ偏向器４によりウェハ７に垂直な光軸に偏向される。Ｅ×Ｂ偏向器４により偏向された照射電子線１０１は、コンデンサレンズ３により対物レンズの焦点面近傍に集束され、試料上７をほぼ平行な照射電子線で照射することができる。

試料７には、電子源１に印加される加速電圧Ｖ₀とほぼ等しいかわずかに高い負の電位が、試料７を保持するステージを通じて、試料印加電源２７から供給されている。試料と対向する円孔電極６には、試料７に対して数ｋＶから数十ｋＶの範囲の正電圧が、円孔電極印加電源２６より供給されている。この円孔電極６と試料７との間の減速電界によって、面状の照射電子線１０１の大部分が試料７に衝突する直前で引き戻されてミラー電子となり、試料７の形状や電位、磁界などを反映した方向や強度を持って再び対物レンズ５に入射する。

このミラー電子による反射電子線１０２は、対物レンズ５により拡大されて、Ｅ×Ｂ偏向器４近傍にミラー投影像を結ぶ。このＥ×Ｂ偏向器４は反射電子線にはウィーン条件で作用させる。すなわち、反射電子線１０２に対してはＥ×Ｂ偏向器４は偏向作用を持たず、また、ミラー像がＥ×Ｂ偏向器４近傍に結像投影されるのでＥ×Ｂ偏向器４による偏向収差もほとんど発生しない。この対物レンズ５によるミラー像は、中間レンズ８および投影レンズ９により投影され、シンチレータ１０上に拡大されたミラー電子像が形成される。このミラー電子像はシンチレータ１０により光学像に変換され、光学レンズあるいは光ファイバー束１１によりＣＣＤカメラ１２上に投影され、ＣＣＤカメラ１２により電気信号に変換されたミラー電子像がモニタ１３により表示される。

Ｅ×Ｂ偏向器４を光軸垂直方向から見た断面は図１８に示す８極電磁極構造であり、各電磁極５１はパーマロイなどの磁性体で構成されている。各電磁極は電位を与えられることによって電極として動作し、各電磁極にＮ回巻かれているコイル５３に励磁電流を流すことによって磁極として動作する。図１８に示す電圧配分で各電磁極に電圧Ｖ_Xを印加すると、電子はx方向に偏向作用を受ける。また、図１９に示すような電流配分で電流Ｉ_Yを各コイルに流すと、図１９の紙面の裏側から表へ運動する電子はx方向の正方向、紙面の表から裏側へ運動する電子はｘ方向の負方向へ偏向作用を受ける。各電極の電圧および電流配分は実際の電磁極形状に電位あるいは磁位を与えた電磁界計算により均一な電磁界が発生するように最適化されており、例えば図中のα＝０．４１４に設定されている。

図２０はＥ×Ｂ偏向器４の光軸を含む断面図である。Ｅ×Ｂ偏向器をビームセパレータとして用いる場合、照射系と結像系の交叉角θ_ＩＮは、二つの光学系が互いに干渉しない配置関係を考慮すると、３０度程度は取る必要がある。照射電子線１０１を３０°偏向しても電磁極に当たらないようにするためには、開口部の直径を電磁極長さより大きくしなければならないが、開口を広げると偏向させる電圧を増加させなければならないので、電磁極５１形状は電子軌道にほぼ沿った末広がりの円錐形状とした。また、電磁極の上下にはシールド電磁極５４を設け、電磁界の滲みだしを抑えるとともに、電界と磁界が同一の空間で作用するようにして、空間内で常にウィーン条件が成り立つ完全なＥ×Ｂ偏向器として動作するようにした。

次にこのＥ×Ｂ偏向器４を用いた照射電子線１０１の調整手順について説明する。加速電圧Ｖ₀が一定の条件では、ウィーン条件を満たすような電磁極印加電圧Ｖ_Xと電磁極供給電流Ｉ_Yの比は一定であるので、計算機シミュレーションなどの手法を用いてＶ₀と強度比の関係はあらかじめ求められて、制御計算機３１に記憶されている。加速電圧Ｖ₀を制御計算機３１にインプットすれば、制御計算機３１は電子源印加電源２１から電子源１へＶ₀を印加するとともに、Ｅ×Ｂ偏向器用電圧電源２３から電磁極に印加する電圧Ｖ_XとＥ×Ｂ偏向器用電流電源２４から電磁極に供給する電流Ｉ_Yの強度比を一定にする制御を行う。Ｖ_XとＩ_Yの強度比を一定のまま、Ｖ_XとＩ_Yを手動あるいは自動で増加させていくとともに、試料７をアース電位にして電流計を接続し、加速電圧Ｖ₀の照射電子線を試料７に照射して吸収される電流を計測することによって、照射電子線が試料７に到達する条件、すなわち照射電子線のＥ×Ｂ偏向器４による偏向角θ_ＩＮを求めることができる。

次に、試料印加電源２７から試料を保持するステージを通じて試料７に印加する電圧を、電子線の加速電圧Ｖ₀とほぼ等しいかわずかに高い負の電圧に、制御計算機３１が設定することにより、照射電子線は試料７の直上で向きを変えてミラー電子線になる条件となる。このミラー電子による反射電子線に対してＥ×Ｂ偏向器４が完全なウィーン条件になっていれば、反射電子線はＥ×Ｂ偏向器４内を直進して、ＣＣＤカメラ１２あるいは結像系光路上に置かれたファラデーカップなどの検出手段により検出されるが、もし反射電子線が検出されていなければ、制御計算機３１はＥ×Ｂ偏向器４に対して、Ｖ_XとＩ_Yの強度比を一定のままの微調整あるいはθ_ＩＮを一定に保ったまま、電圧Ｖ_Xと電流Ｉ_Yの比率を変える制御を行う。比率を変える際の電圧の増分ΔＶと電流の増分ΔＩは

の関係が成り立つように制御する。εはおおむね１である。この調整により、照射電子線が試料に垂直に入射するとともに、反射電子線がＥ×Ｂ偏向器４を通過してＣＣＤカメラ１７に到達する条件を決定する。

次にミラー電子による反射電子線１０２のコントラスト形成方法について説明する。反射電子線１０２は、対物レンズ５の像面４２に試料５の投影像を結ぶとともに、対物レンズ焦点面４１上に電子回折像を形成する。この電子回折像面では試料の同一方向に出射した反射電子線が集束するので、試料直上の電位歪がなく、横方向に偏向を受けない反射電子は光軸近傍に集束する。したがって、この対物レンズ焦点面位置（電子線回折像位置）４１に制限絞りを配置して絞り孔を光軸からずらせば、偏向を受けない電子をカットすることができるが、照射電子線１０１もほとんどカットされてしまうので、この位置に制限絞りを配置することは困難である。ここで、反射電子線１０２はＥ×Ｂ偏向器４により照射電子線１０１と分離されるので、照射電子線１０１と分離後に制限絞り１４を配置する。すなわち、反射電子線１０２の対物レンズ焦点面４１に形成される電子線回折像が中間レンズ８により投影される位置４３に制限絞り１４を配置すれば、反射電子線画像のコントラストを改善する暗視野像や明視野像を取得することができる。制限絞り１４の形状は図１２に示す形状であり、直径２ｒ_２の円孔の同軸上に直径２ｒ_１の円板を配置している。この円板はこの半径ｒ_１から半径ｒ_２の範囲の電子線をできるだけ通過させるように幅が細いブリッジで支持されている。制限絞り１４の円板の半径ｒ_１は、通常散乱されないで反射したミラー電子を制限するような大きさ、すなわち試料を照射する照射角とほぼ等しい散乱角のミラー電子線を制限するように選べばよい。あるいは、制限絞り１４の形状を通常の円形形状として、特定方向の散乱電子線のみを通過させる構成でも良い。

結像モードとしては、通常観察モードと暗視野モードをユーザが選択することができる。通常観察モードではこの制限絞り１４は反射電子線の通路外にセットされているが、ユーザが暗視野モードを選択すると、制限絞り駆動部１５により制限絞り１４が反射電子線の通路上にセットされる。制限絞り駆動部１５は、微調整機構及びおよび祖調整機構より構成される。祖調整機構は制限絞りを電子線通路外と通路上との間で移動させる機構であり、ユーザが観察モードの切り替えを選択すると、制御計算機３１により祖調整機構へ駆動が指令される。微調整機構は、ユーザが像観察を行うときに絞りの位置を微調整する機構である。微調整機構はユーザが手動で調整できる機構でも良いが、たとえばロータリーエンコーダ付サーボモータで駆動する構成として、観察モードごとの制限絞りの位置アドレスを制御計算機３１に記憶させることにより、観察モードの切替えで絞りを自動的に記憶された位置アドレスに設定する構成としても良い。
以上のような装置構成でミラー電子線の散乱方向を選択的に制限できる投影画像を取得することにより、コントラストの高いミラー像観察を行うことができる。

図２は実施例２の動作を説明するための構成を示したものである。本実施例では、照射電子線１０１を、試料７に対して照射位置を変えずに、照射角を傾斜させて照射し、結像系の光軸方向に反射した反射電子線を取得することにより、反射電子線の軸外収差が小さい投影像を得る。照射電子線１０１はＥｘＢ偏向器４により電子源を含む光軸１０３から試料に垂直な光軸１０３方向に偏向角度θ_INで偏向された後、対物レンズ焦点面４１近傍に集束して試料７を平行照射する。セパレータとしてＥ×Ｂ偏向器４は反射電子線１０２の結像面４２近傍に配置されており、照射電子線１０１はＥ×Ｂ偏向器４で角度θ_D偏向されると、円孔電極６に角度θ_APの偏向角で入射し、円孔電極６で屈折して円孔電極６と試料の間の減速電界で減速された後、試料上の同じ位置に照射される。このθ_APとθ_Dの関係はそれぞれのレンズ配置と動作条件が定まれば一義的に定まるものであり、制御計算機３１に記憶されている。さらに、加速電圧Ｖ₀が一定の条件では、ウィーン条件を満たすような電磁極印加電圧Ｖ_Xと電磁極供給電流Ｉ_Yの比は一定であるので、計算機シミュレーションなどの手法を用いてＶ₀と強度比の関係はあらかじめ求められて、制御計算機３１に記憶されている。

加速電圧Ｖ₀を制御計算機３１にインプットすれば、制御計算機３１は電子源印加電源２１から電子源１へＶ₀を印加するとともに、Ｅ×Ｂ偏向器用電圧電源２３から電磁極に印加する電圧Ｖ_XとＥ×Ｂ偏向器用電流電源２４から電磁極に供給する電流Ｉ_Yの強度比を一定にする制御を行う。Ｅ×Ｂ偏向器４のＸ偏向器、Ｙ偏向器に電磁極印加電圧Ｖ_X、電磁極供給電流Ｉ_Yを供給することにより、θ_INの偏向角が得られ、試料を垂直に照射する条件となる。ここで、円孔電極６に角度θ_APの偏向角で入射させて試料を傾斜照射する場合には、制御計算機３１はθ_APの偏向角に対応するＥ×Ｂ偏向器４の偏向角θ_Dおよび偏向角角度θ_Dの偏向角に相当し、かつウィーン条件が保存されるような電磁極印加電圧Ｖ_X１、電磁極供給電流Ｉ_Y１を計算して、各電極およびコイルに重畳して供給する。

反射電子線１０２は、対物レンズ焦点面４１上に試料出射方向に対応する電子線回折図形を形成するが、この焦点面位置に制限絞り１４を配置すると、照射電子線１０１を制限してしまうので、反射電子線１０２がＥ×Ｂ偏向器４を通過後、中間レンズ８により電子線回折像が投影される位置４３に制限絞り１４を挿入する。反射電子線１０２がこのＥ×Ｂ偏向器４で偏向されると電子線回折像位置が変化してしまうが、このＥ×Ｂ偏向器４は反射電子線１０２に対して、Ｅ×Ｂ偏向器４の磁界と電界が逆方向に等しい大きさで作用するいわゆるウィーン条件が成り立つように動作しているので、反射電子線はＥ×Ｂ偏向器４で偏向されずに制限絞り１４上に電子線回折像を投影することができる。
以上のような装置構成でミラー電子線の散乱方向を選択的に制限できる投影画像を取得することにより、軸外収差の少ないコントラストの高い像観察を行うことができる。

図３は、実施例３の動作を説明するための構成を示したものである。本実施例では、照射電子線１０１を試料７に対して照射位置を変えずに、試料７への照射角を一定にして照射するいわゆるホローコーン照射を行う。
Ｅ×Ｂ偏向器４の偏向電極で照射電子線１０１をＸ方向に角度θ_D/2偏向させるための電極供給電圧をＶ_Xとし、ホローコーン照射のために円孔電極６に角度θ_APの偏向角で入射するための供給電圧をＶ_Dとすると、図１７に示すようにＸ偏向器に示すように、Ｖ_X＋Ｖ_Dｃｏｓ（ｔ）、Ｙ偏向器にＶ_Xｓｉｎ（ｔ）の偏向信号を供給する。さらに、磁界生成においても、常にＥ×Ｂ偏向器４が反射電子線に対してウィーン条件となるように、磁界を生成するための偏向コイルにθ_D/2の角度を偏向させるための正弦波および余弦波信号を供給すると、照射電子線を試料７上で照射位置を変えずに歳差運動させながら照射することができる。反射電子線１０２は、対物レンズ焦点面４１上に電子線回折図形を形成する。反射電子線１０２がＥ×Ｂ偏向器４を偏向されずに通過後、中間レンズ８によりこの電子線回折像が投影される位置４３に制限絞り１４を挿入することにより、ミラー電子顕微鏡の暗視野像を得ることができる。
以上のような装置構成でミラー電子線の散乱角度範囲を選択的に制限できる投影画像を取得することにより、軸外収差の少ないコントラストの高い像観察を行うことができる。

図４に示す本実施例は、ミラー電子顕微鏡を高速ウェハ検査に適用した構成である。
電子源１より放出された照射電子線１０１は、コンデンサレンズ３により収束され試料上をほぼ平行に照射される。電子源１には、先端半径が１μｍ程度のZr/O/W型のショットキー電子源を用いた。この電子源を用いることにより、大電流ビーム（例えば、１.５μＡ）で、かつエネルギー幅が０.５ｅＶ以下の均一な面状電子線を安定に形成できる。

セパレータとして、Ｅ×Ｂ偏向器４を反射電子線１０２の結像面近傍に配置させる。照射電子線１０１は、Ｅ×Ｂ偏向器４によりウェハ７に垂直な光軸に偏向される。Ｅ×Ｂ偏向器４は、上方からの電子線に対してのみ偏向作用を持つ。Ｅ×Ｂ偏向器４より偏向された電子線は、対物レンズ５により試料（ウェハ）表面に垂直な方向に面状の電子線が形成される。

欠陥の検出にはミラー電子を使用する。ユーザがミラー電子顕微鏡モードに設定すると、試料印加電源２７によって試料（ウェハ）７には、電子線の加速電圧とほぼ等しいか、わずかに高い負の電位が印加されて、ウェハ７の表面には形成された半導体パターン形状や帯電の状態を反映した電界が形成される。この電界によって面状電子線の大部分がウェハ７に衝突する直前で引き戻され、ミラー電子としてウェハ７のパターン情報を反映した方向や強度を持って上がってくる。

ミラー電子は試料直上に形成される等電位面の歪により軌道を変えるが、結像レンズの焦点条件をずらして調整すれば、これらのミラー電子のほとんどを画像形成に用いることができる。すなわち、ミラー電子を用いれば、Ｓ／Ｎ比の高い画像が得られ、検査時間の短縮が期待できる。しかし、このように焦点をずらした画像形成では、一般の電子顕微鏡像とは大きく異なるので、試料の正確な形状及び位置に対応した情報を得ることは困難である。そこで、ミラー電子顕微鏡の暗視野モードを設けることにより、正焦点近傍で画像形成することが可能となり、試料の正確な形状及び位置に対応した情報を得ることができる。暗視野モードに設定すると、制限絞り駆動部１５により制限絞り１４が結像系光路上にセットされ、試料直上の等電位面で横方向に偏向を受けずに反転したミラー電子を制限絞り１４で吸収させることによって、欠陥部から散乱したミラー電子だけで画像化できるようになり、高コントラストの欠陥検出画像が得られるようになる。この画像は電気信号に変換され画像処理部61に送られる。

画像処理部６１は、画像信号記憶部６２及び６３、演算部６４、欠陥判定部６５より構成されている。画像記憶部６２と６３は同一パターンの隣接部の画像を記憶するようになっており、両者の画像を演算部６４で演算して両画像の異なる場所を検出する。この結果を欠陥判定部６５により欠陥として判定しその座標を制御計算機３１に記憶する。なお、取り込まれた画像信号はモニタ６６により画像表示される。

半導体ウェハ７表面上に形成された同一設計パターンを有する隣接チップＡ、Ｂ間でのパターンの比較検査をする場合には、先ず、チップＡ内の被検査領域についての電子線画像信号を取り込んで、記憶部６２内に記憶させる。次に、隣接するチップＢ内の上記と対応する被検査領域についての画像信号を取り込んで、記憶部６３内に記憶させながら、それと同時に、記憶部６２内の記憶画像信号と比較する。さらに、次のチップＣ内の対応する被検査領域についての画像信号を取得し、それを記憶部６２に上書き記憶させながら、それと同時に、記憶部６３内のチップＢ内の被検査領域についての記憶画像信号と比較する。このような動作を繰り返して、全ての被検査チップ内の互いに対応する被検査領域についての画像信号を順次記憶させながら、比較して行く。

上記の方法以外に、予め、標準となる良品（欠陥のない）試料についての所望の検査領域の電子線画像信号を記憶部６２内に記憶させておく方法を採ることも可能である。その場合には、予め制御計算機３１に上記良品試料についての検査領域および検査条件を入力しておき、これらの入力データに基づき上記良品試料についての検査を実行し、所望の検査領域についての取得画像信号を記憶部６２内に記憶する。次に、検査対象となるウェハ７をステージ上にロードして、先と同様の手順で検査を実行する。

そして、上記と対応する検査領域についての取得画像信号を記憶部６３内に取り込むと同時に、この検査対象試料についての画像信号と先に記憶部６２内に記憶された上記良品試料についての画像信号とを比較する。これにより上記検査対象試料の上記所望の検査領域についてのパターン欠陥の有無を検出する。なお、上記標準（良品）試料としては、上記検査対象試料とは別の予めパターン欠陥が無いことが判っているウェハを用いても良いし、上記検査対象試料表面の予めパターン欠陥が無いことが判っている領域(チップ)を用いても良い。例えば、半導体試料(ウェハ)表面にパターンを形成する際、ウェハ全面にわたり下層パターンと上層パターン間での合わせずれ不良が発生することがある。このような場合には、比較対象が同一ウェハ内あるいは同一チップ内のパターン同士であると、上記のようなウェハ全面にわたり発生した不良(欠陥)は見落とされてしまう。

しかし、本実施例によれば、予め良品(無欠陥)であることが判っている領域の画像信号を記憶しておき、この記憶画像信号と検査対象領域の画像信号とを比較するので、上記したようなウェハ全面にわたり発生した不良をも精度良く検出することができる。

記憶部６２、６３内に記憶された両画像信号は、それぞれ演算部６４内に取り込まれ、そこで、既に求めてある欠陥判定条件に基づき、各種統計量（具体的には、画像濃度の平均値、分散等の統計量）、周辺画素間での差分値等が算出され
る。これらの処理を施された両画像信号は、欠陥判定部６５内に転送されて、そこで比較されて両画像信号間での差信号が抽出される。これらの差信号と、既に求めて記憶してある欠陥判定条件とを比較して欠陥判定がなされ、欠陥と判定されたパターン領域の画像信号とそれ以外の領域の画像信号とが分別されるとともに、欠陥部のアドレスが制御計算機３１に記憶される。

以上のような装置構成にすることにより、ミラー電子線投影画像のコントラストが高い欠陥画像を取得できることが可能となり、欠陥検出感度の高いウェハ高速検査を実現することができる。
なお、上記実施例１から実施例４では反射電子線として試料に衝突しないで反射するミラー電子を画像化することについて説明してきたが、試料に衝突して散乱した後方散乱電子や試料に電子線を照射して試料から二次的に発生した二次電子を画像化する場合にもほぼ同様の構成で暗視野画像を取得することができる。

本発明の第１の実施例になるミラー電子顕微鏡の構成を示す図。本発明の第２の実施例の構成を説明する図。本発明の第３の実施例の構成を説明する図。本発明の第４の実施例の構成を説明する図。ミラー電子の軌道を説明する図。ミラー電子の軌道を説明する図。透過電子顕微鏡の構成を説明する図。ミラー電子顕微鏡の構成を説明する図。本発明の原理の照射系を説明する図。本発明の原理の結像系を説明する図。Ｅ×Ｂ偏向器の動作を説明する図。制限絞りの構造を説明する図。本発明の原理の照射系を説明する図。本発明の原理の結像系を説明する図。本発明の原理の照射系を説明する図。本発明の原理の結像系を説明する図。ＥｘＢ偏向器に供給する電圧信号を説明する図。８極型Ｅ×Ｂ偏向器の電圧配分を説明する図。８極型Ｅ×Ｂ偏向器の電流配分を説明する図。８極型Ｅ×Ｂ偏向器の断面図。

符号の説明

１：電子源、２：電子銃レンズ、３：コンデンサレンズ、４：Ｅ×Ｂ偏向器、５：対物レンズ、６：円孔電極、７：試料（ウェハ）、８：中間レンズ、９：投影レンズ、１０：シンチレータ、１１：光ファイバー束、１２：ＣＣＤカメラ、１３：モニタ、１４：制限絞り、１５：制限絞り駆動部、２１：電子源印加電源、２３：Ｅ×Ｂ偏向器用電圧電源、２４：Ｅ×Ｂ偏向器用電流電源、２５：対物レンズ電源、２６：円孔電極印加電源、２７：試料印加電源、２８：中間レンズ電源、２９：投影レンズ電源、３０：、３１：制御計算機、４１：対物レンズ焦点面、４２：対物レンズ結像面、４３：電子線回折像投影面、５１：電磁極、５２：ボビン、５３：コイル、５４：シールド、６１：画像処理部、６２：画像記憶部、６３：画像記憶部、６４：演算部、６５：欠陥判定部、６６：モニタ、１０１：照射電子線、１０２：反射電子線、１０３：照射系光軸、１０４：結像系光軸。

Claims

電子源に加速電圧を印加する電子源印加手段と、
試料を保持するステージに試料電圧を印加する試料電圧印加手段と、
前記電子源から出射した電子線を試料に二次元的な広がりを有する面状の照射電子線として照射する照射レンズ手段と、
前記照射電子線を前記試料に照射して前記試料から出射した反射電子線を投影拡大して試料像を検出器に投影結像させる手段と、
前記照射電子線と前記反射電子線をビームセパレータにより分離する手段を設けた反射結像型電子顕微鏡において、
前記照射電子線と前記反射電子線を分離するビームセパレータと前記検出器の間に前記反射電子線の試料出射時の角度を制限する手段を備えたことを特徴とする反射結像型電子顕微鏡。
電子源と、
投影レンズと、
中間レンズと、
対物レンズと、
試料を保持する試料ステージと、
前記電子源から出射した電子線が試料に入射せずに向きを反転して反射する電圧を前記試料ステージないし前記試料に印加する手段と、
前記電子源より前記試料に対し放射された電子線と該電子線が試料に入射せずに向きを反転した反射電子線とをビームセパレータにより分離する手段と、
前記反射電子を検出する検出器とを備え、
前記投影レンズと中間レンズの間に前記反射電子線の電子線回折像を制限する絞りを備えることを特徴とする反射結像型電子顕微鏡。
電子源と、
投影レンズと、
中間レンズと、
対物レンズと、
試料を保持する試料ステージと、
前記電子源から出射した電子線が試料に入射せずに向きを反転して反射する電圧を前記試料ステージないし前記試料に印加する手段と、
前記電子源より前記試料に対し放射された電子線と該電子線が試料に入射せずに向きを反転した反射電子線とをビームセパレータにより分離する手段と、
前記反射電子を検出する検出器とを有し、
前記投影レンズと中間レンズの間に前記反射電子線の電子線回折像を制限する絞りと、
前記絞りを可動に制御する制限絞り駆動部と、
前記制限絞り駆動部を制御する制御計算機を備え、
前記制限絞り駆動部は観察モードを切替える手段を備えることを特徴とする反射結像型電子顕微鏡。
請求項１〜３のいずれかに記載の反射結像型電子顕微鏡において、
前記ビームセパレータは電界と磁界を交差させたＥ×Ｂ偏向器であることを特徴とする反射結像型電子顕微鏡。
請求項１〜３のいずれかに記載の反射結像型顕微鏡において、
前記検出器より検出された反射電子線像を画像処理する画像処理部を備えることを特徴とする反射結像型電子顕微鏡。
請求項に記載の反射結像型電子顕微鏡において、
前記画像処理部は、
前記検出器により検出された前記試料の第一の領域における第一の反射電子線像と前記試料の第二の領域における第二の反射電子線像を記憶する記憶部と、
前記第一の反射電子線像と第二の反射電子線像を比較する演算部と、
前記比較結果から前記試料の欠陥を判定する欠陥判定部を備えることを特徴とする反射結像型電子顕微鏡。
請求項１〜７のいずれかに記載の反射結像型電子顕微鏡において
前記検出された反射電子線像を表示する表示部を備えることを特徴とする反射電子結像型電子顕微鏡。
請求項２に記載の反射結像型電子顕微鏡において
前記絞りを可動に制御する制限絞り駆動部を備え、
前記制限絞り駆動部を制御する制御計算機を備えることを特徴とする反射結像型電子顕微鏡。
電子源を出射し加速された照射電子線を試料の直前で減速させて、試料に衝突しないで反転したミラー電子を含む反射電子線を、照射電子線と分離後に試料から出射したときの出射角に基づいて選別することを特徴とする反射結像型電子顕微鏡の観察方法。