JP2008004329A - 荷電粒子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試料の状態および撮影条件に依存せず、安定して良好な画像情報を取得することができる荷電粒子ビーム装置を実現する。
【解決手段】試料１と概ね同電位の基準静電電極４およびこの基準静電電極４を挟む一対の円筒形フィルター電極５および５′を、電子銃３０および加速場電極１４の間に設け、円筒形フィルター電極５および５′に正の電位を印加し、さらに制御部９によりこの電位を調整することにより、試料１で発生された２次電子の発生の際のエネルギーの大きさにより、２次電子５１を分離検出することとしているので、低エネルギー帯の２次電子を除去することができ、ひいてはＳＥＭ画像に含まれる、像全体を明るくする成分を除去し、安定して良好な画像情報の取得を行うことを実現させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、荷電粒子ビームを試料に照射し、この試料から発生される２次電子を検出する荷電粒子ビーム装置に関する。

近年、半導体集積回路では、回路パターンの微細化が一層進んでいる。これらの回路パターンを検査するために、高倍率、高分解能の荷電粒子ビーム装置である走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＥＭと略称される）が用いられる。また、半導体集積回路では、その表面に低誘電率膜を設けたり、あるいは石英ガラスウェハーを用いたりするので、電気的絶縁性の高い素材が多用される。

これら電気的絶縁性の高い素材に、走査型電子顕微鏡の電子ビームが照射されると、表面に電荷が蓄積される帯電（チャージアップ）という現象が生じる。この帯電現象は、ＳＥＭで取得される画像情報に影響を与える。例えば、照射される電子ビームを構成する１次電子線の軌道の変化、あるいは照射された試料から発生する２次電子線の軌道の変化等が生じ、ひいては分解能の低下等を生じる。

この帯電現象に起因する画像情報の劣化を小さなものとする手法として、減速場形成技術（以下、リターディング技術と称する）が開示されている（例えば、特許文献１参照）。リターディング技術によれば、電子ビームを加速する加速場電極に加え、試料近傍に電子ビームを減速する減速場電極を設ける。そして、加速場の大きさを維持したまま、すなわち色収差の影響を低減した条件で合焦点制御したまま、減速場により、試料に入射する電子ビームのエネルギ―を小さなものとし、分解能を維持したまま試料の帯電の大きさを小さく抑える。

図１５は、リターディング技術が搭載された走査型電子顕微鏡１００の一例を示す概略断面図である。走査型電子顕微鏡１００は、試料１、電子検出部２４、信号検出器１７、走査コイル１３、加速場電極１４、磁界レンズ１５、減速場電極１６、可変電源１８〜２０、表示部２１および走査制御部２２等を含む。なお、試料１、電子検出部２４、信号検出器１７、走査コイル１３、加速場電極１４、磁界レンズ１５および減速場電極１６は、図示しない高真空の鏡筒内に配設される。

試料１は、半導体集積回路が形成されたシリコンウェーハ等であり、走査コイル１３は、１次電子ビーム１１を試料１上で走査させる偏向場を形成し、加速場電極１４は、１次電子ビーム１１を試料１の方向に加速する静電界を形成し、磁界レンズ１５は、１次電子ビーム１１を試料１上で集束させる磁界を形成し、減速場電極１６は、１次電子ビーム１１を試料１の方向に減速させる静電界を形成し、電子検出部２４は検出した２次電子信号に応じた電気信号に変換する。そして、走査制御部２２は、１次電子ビーム１１を試料１上で走査するように走査コイル１３を制御し、表示部２１は、走査制御部２２からの走査信号および信号検出器１７からの電気信号に基づいて、試料１の走査領域の画像情報を形成し、表示する。

ここで、可変電源１８〜２０は、加速場電極１４、減速場電極１６および試料１の電位を決定する電源で、例えば、可変電源１８は、１次電子ビーム１１を発生する電子銃に対して正の高電圧とされ、可変電源１９および２０は、接地電位とされる。

一方、試料に照射される１次電子により、１次電子と反対方向に向かう２次電子が発生される。２次電子は、１次電子の減速場の存在により、鏡筒内に加速および吸入され、鏡筒内に配設される電子検出部２４および信号検出器１７により検出される。

図１５には、鏡筒内での２次電子の飛行軌道を示す２次電子１２が図示されている。試料１から放射される２次電子１２は、放射角度に拡がり有し、１次電子ビーム１１のために形成される磁界および電界の影響を受け、進行方向と直交する方向に集束および発散を繰り返し電子検出部２４に達する。
国際公開第ＷＯ９９／４６７９８号パンフレット、（第５〜１１頁、図１）

しかしながら、上記背景技術によれば、取得される画像情報は、試料１の状態および撮影条件に依存し、変化するものとなる。すなわち、１次電子ビーム１１の制御の為に形成される鏡筒内の磁界および電界は、観察条件により変化し、これら磁界および電界の影響を受ける試料１の状態および２次電子１２も変化し、画像情報が変化する。

例えば、試料１の表面が、電気的絶縁性の高い材料で広く覆われる際には、画像情報に像全体を明るくする成分を含むものとなる。加速電圧、即ち１次電子ビーム１１の加速電圧が試料１からの２次電子発生効率が１より小さい電圧の時、試料１の表面が負に帯電し、試料１の表面電位が、試料１のその他の位置と比較して、数十Ｖ（ボルト）程度低くなる。これにより、２次電子に含まれる１〜３ｅＶの低エネルギー成分は、試料１に引き戻されることなく、２次電子１２の一部として放出され、この成分が像全体を明るくする要因と考えられている。

また、試料１の観察条件が変化する場合の例として、例えば試料表面高さの変化等、加速場電極１４、磁界レンズ１５および減速場電極１６からなる対物レンズにより形成される電磁界が変化する場合が存在する。この場合、対物レンズにより形成される電磁界が変化することにより、２次電子１２の飛行軌道が、図１５に破線で示す２次電子１２′の様に変化する場合が存在する。これにより、電子検出部２４が有する２次電子１２′の検出効率が低下し、取得される画像情報の信号強度が低下する。

また、他の例として、試料１の観察する表面を、入射する１次電子ビーム１１に対して大きく傾斜させる場合が存在する。この場合、減速場電極１６から試料１の方向に漏れ出る電界により、試料１の表面に電界歪みが生じる。この電界歪みにより、試料１から放射される２次電子は、飛行軌道が曲げられ,減速場電極１６の試料１側に存在する開口部に到達しなくなり、取得される画像情報の信号強度が低下する。

これらのことから、試料１の状態および観察条件に依存せず、安定して良好な画像情報を取得することができる荷電粒子ビーム装置をいかに実現するかが重要となる。
この発明は、上述した背景技術による課題を解決するためになされたものであり、試料１の状態及び観察条件に依存せず、安定して良好な画像情報を取得することができる荷電粒子ビーム装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１に記載の発明にかかる荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビームが照射される試料と、前記試料の試料電位を基準として、前記荷電粒子ビームの加減速を行う静電界を形成する静電界形成手段と、前記試料から、前記荷電粒子ビームの照射方向に発生される２次電子を検出する信号検出部と、を備える荷電粒子ビーム装置であって、前記静電界形成手段は、中央に前記荷電粒子ビームを通過させる空孔を有する円板状の基準静電電極、中央に前記荷電粒子ビームを通過させる空洞を有し、前記基準静電電極を前記通過の前後方向から挟む位置に配設される一対の円筒形フィルター電極および前記円筒形フィルター電極の電位を変化させる可変電源を有し、前記信号検出部は、基準静電電極の上方向及び下方向のうち、少なくとも１つの方向に配設されることを特徴とする。

この請求項１に記載の発明では、静電界形成手段は、中央に荷電粒子ビームを通過させる空孔を有する円板状の基準静電電極、中央に荷電粒子ビームを通過させる空洞を有し、基準静電電極を荷電粒子ビームが通過する前後方向から挟む位置に配設される一対の円筒形フィルター電極および円筒形フィルター電極の電位を変化させる可変電源を有し、信号検出部を、荷電粒子ビームの通過を行う方向と直交する円筒形フィルター電極を囲む面内に配設する。

また、請求項２に記載の発明にかかる荷電粒子ビーム装置は、請求項１に記載の荷電粒子ビーム装置において、前記円筒形フィルター電極が、円筒形の側面がメッシュ状の金網からなることを特徴とする。

この請求項２に記載の発明では、円筒形フィルター電極の側面を、容易に電子ビームが透過する。
また、請求項３に記載の発明にかかる荷電粒子ビーム装置は、請求項１または２に記載の荷電粒子ビーム装置において、前記円筒形フィルター電極が、前記試料電位よりも高電位にされることを特徴とする。

この請求項３に記載の発明では、２次電子の進行方向を、円筒形フィルター電極の側面に向かわせる。
また、請求項４に記載の発明にかかる荷電粒子ビーム装置は、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の荷電粒子ビーム装置において、前記静電界形成手段が、前記基準静電電極の電位を変化させる可変電源を備えることを特徴とする。

この請求項４に記載の発明では、２次電子を、電子が有するエネルギーにより選別する。
また、請求項５に記載の発明にかかる荷電粒子ビーム装置は、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の荷電粒子ビーム装置において、前記信号検出部が、前記面内の異なる複数の方向に配設されることを特徴とする。

この請求項５に記載の発明では、円筒形フィルター電極の異なる方向の側面を透過した２次電子を検出する。
また、請求項６に記載の発明にかかる荷電粒子ビーム装置は、請求項１ないし５のいずれか１つに記載の荷電粒子ビーム装置において、前記静電界形成手段が、前記試料に荷電粒子ビームを射出する側に減速場電界を生成する際に、前記減速場電極および前記試料の間に、前記通過を行う方向を向く軸に対して非回転対称の形状を有する偏向電極を備えることを特徴とする。

この請求項６に記載の発明では、試料の表面から発生する２次電子の飛行軌道を補正する。
また、請求項７に記載の発明にかかる荷電粒子ビーム装置は、請求項６に記載の荷電粒子ビーム装置において、前記偏向電極が、扇形の湾曲形状を有し、前記荷電粒子ビームを互いに異なる方向から囲む３つの偏向電極板を備えることを特徴とする。

この請求項７に記載の発明では、試料の表面から発生する２次電子の、概ね荷電粒子ビームの照射方向と直交する面内位置を補正する。
また、請求項８に記載の発明にかかる荷電粒子ビーム装置は、請求項７に記載の荷電粒子ビーム装置において、前記偏向電極が、前記偏向電極板により、前記荷電粒子ビームを中心として前記荷電粒子ビームの走行方向と直交する周囲３６０度方向の内の４分の３以上の領域を占有することを特徴とする。

この請求項８に記載の発明では、２次電子の飛行軌道に、偏向電極板が存在しない方向で、大きな補正を行う。
また、請求項９に記載の発明にかかる荷電粒子ビーム装置は、請求項７または８に記載の荷電粒子ビーム装置において、前記荷電粒子ビーム装置が、３つの前記偏向電極板に接続され、前記偏向電極板ごとに電位を変化させる３つの第３の可変電源を備えることを特徴とする。

この請求項９に記載の発明では、偏向電極板が存在しない方向で、大きな補正とする。
また、請求項１０に記載の発明にかかる荷電粒子ビーム装置は、請求項９に記載の荷電粒子ビーム装置において、前記可変電源が、前記偏向電極板の電位を、前記２次電子の飛行軌道が前記荷電粒子ビームの飛行軌道に近づく方向に変化させることを特徴とする。

この請求項１０に記載の発明では、２次電子が、荷電粒子ビームを集束させるレンズ系から受ける球面収差の影響を軽減する。
また、請求項１１に記載の発明にかかる荷電粒子ビーム装置は、請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の荷電粒子ビーム装置において、前記荷電粒子ビームが、前記基準静電電極と加速レンズ間で集束されることを特徴とする。

この請求項１１に記載の発明では、基準静電電極により形成される静電界が、荷電粒子ビームに与える影響を小さなものとする。
また、請求項１２に記載の発明にかかる荷電粒子ビーム装置は、請求項１１に記載の荷電粒子ビーム装置において、前記荷電粒子ビーム装置が、前記基準静電電極の前記荷電粒子ビームが通過する方向に配設される加速レンズを備えることを特徴とする。

この請求項１２に記載の発明では、加速レンズにより、対物レンズをなす磁界レンズに、荷電粒子ビームを最適な開き角度で入射させる。
また、請求項１３に記載の発明にかかる荷電粒子ビーム装置は、請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の荷電粒子ビーム装置において、前記荷電粒子ビーム装置が、前記荷電粒子ビームが集束する位置で、前記２次電子を集束させる回転対称型レンズを備えることを特徴とする。

この請求項１３に記載の発明では、２次電子が、荷電粒子ビームを集束させるレンズ系から受ける球面収差の影響を軽減する。
また、請求項１４に記載の発明にかかる荷電粒子ビーム装置は、請求項１３に記載の荷電粒子ビーム装置において、前記回転対称型レンズが、前記位置に磁界を形成する磁界コイルを備えることを特徴とする。

この請求項１４に記載の発明では、磁界により、２次電子の飛行軌道を変化させる。
また、請求項１５に記載の発明にかかる荷電粒子ビーム装置は、請求項１３に記載の荷電粒子ビーム装置において、前記回転対称型レンズが、前記位置に電界を形成する静電電極板を有し、前記静電電極板は、前記基準静電電極および前記加速レンズの電位の中間電位を有することを特徴とする。

この請求項１５に記載の発明では、磁界により２次電子の飛行軌道を変化させる。
また、請求項１６に記載の発明にかかる荷電粒子ビーム装置は、請求項１３ないし１５のいずれかに記載の荷電粒子ビーム装置において、前記回転対称型レンズは、前記位置が前記基準静電電極の空孔である際に、前記空孔近傍に前記２次電子を集束させることを特徴とする。

この請求項１６記載の発明では、前記空孔近傍に２次電子を集束させる。
また、請求項１７に記載の発明にかかる荷電粒子ビーム装置は、請求項１ないし１６のいずれかに記載の荷電粒子ビーム装置において、前記基準静電電極は少なくとも４個以上の電極に分割され、分割されたそれぞれの電極に電圧を印加し、試料から放射された２次電子の飛行方向を調整することを特徴とする。

この請求項１７記載の発明では、基準静電電極を多極構造とすることにより、２次電子の飛行方向を調整する。
また、請求項１８に記載の発明にかかる荷電粒子ビーム装置は、請求項１ないし１７のいずれかに記載の荷電粒子ビーム装置において、前記試料から放射される２次電子のうち、帯電情報のみを持つ低エネルギーの２次電子を検出する信号検出部を加速レンズの下方に配設することを特徴とする。

この請求項１８記載の発明では、低エネルギーの電子を検出することができる。
また、請求項１９に記載の発明にかかる荷電粒子ビーム装置は、前記荷電粒子ビーム装置は、前記荷電粒子ビームの荷電粒子が電子であることを特徴とする。

この請求項１９記載の発明では、荷電粒子ビームとして電子ビームを使用する。

本発明によれば、試料と概ね同電位の基準静電電極およびこの基準静電電極を挟む一対の円筒形フィルター電極を、荷電粒子ビームである１次電子ビームの飛行軌道に沿って配設し、試料から発生される２次電子を、発生の際のエネルギーに基づいて選別および検出することとしているので、試料に電気的絶縁性の高い材料を用いる場合、２次電子から所望のエネルギーの電子のみを検出し、ひいては試料１の状態および撮影条件に依存せず、安定して良好な画像情報の取得を行うことができる。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる荷電粒子ビーム装置を実施するための最良の形態について説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
まず、本実施の形態１にかかる荷電粒子ビーム装置である走査型電子顕微鏡１０の全体構成について説明する。図１は、走査型電子顕微鏡１０の鏡筒部分の断面およびその他の制御部分を含む構成図である。走査型電子顕微鏡１０は、試料１、電子銃３０、制限絞り２、開き角制御レンズ３、基準静電電極４および４′、円筒形フィルター電極５および５′、加速レンズ６、走査コイル１３、加速場電極１４、磁界レンズ１５、減速場電極１６、電子銃制御部８、信号検出部４０および４０′、走査制御部２２、磁界レンズ制御部７、制御部９、表示部２１、可変電源１８〜２０、３２、３３および電源３４を含む。

ここで、試料１、走査コイル１３、加速場電極１４、磁界レンズ１５、減速場電極１６、可変電源１８〜２０、表示部２１および走査制御部２２は、背景技術の欄で述べたものと全く同様であるので、説明を省略する。また、開き角制御レンズ３、基準静電電極４および４′、円筒形フィルター電極５および５′、加速レンズ６、加速場電極１４、減速場電極１６、可変電源１８〜２０、３２〜３４および電源３４は、静電界形成手段をなす。

電子銃３０は、試料１の方向である鉛直下方に向かって、荷電粒子ビームである１次電子ビーム３１を発生する。この発生は、電子銃３０に接続される電子銃制御部８により制御される。

制限絞り２は、電子銃３０の鉛直下方に配設され、１次電子ビーム３１の総量を、所定の電子量に制限する絞りである。開き角制御レンズ３は、制限絞り２の鉛直下方に配設され、後続するレンズおよび電極に対して、鉛直方向に適正な開き角度で１次電子ビーム３１が入射される様に開き角度を制御するレンズである。

基準静電電極４′および４は、開き角制御レンズ３の鉛直下方に配設され、中心部分に円形の空孔を有する円板状の電極である。１次電子ビーム３１は、電極板の円形空孔部分を、試料１に向かって通過する。なお、基準静電電極４′および４の電位は、図示しない可変電源により、試料１と同電位にされる。

円筒形フィルター電極５および５′は、側面がメッシュ状の電気導体からなる円筒形の電極であり、円筒の中心に位置する空洞部分を、１次電子ビーム３１が通過する。円筒形フィルター電極５は基準静電電極４′の鉛直下方に配設され、円筒形フィルター電極５′は、基準静電電極４を挟んで、円筒形フィルター電極５の鉛直下方に配設される。ここで、円筒形フィルター電極５および５′には、可変電源３２および３３が接続され、円筒形フィルター電極５および５′の電位を変化させることができる。

信号検出部４０および４０′は、円筒形フィルター電極５および５′の水平方向に配設され、円筒形状を有するメッシュ状の円筒形フィルター電極５および５′の側壁を通過して、空洞内から放出される電子を検出し、電圧信号に変換する。ここで、信号検出部４０および４０′は、円筒形フィルター電極５および５′の側壁から放出される電子の総量を検出する様に、例えば、図示しない円筒形フィルター電極５および５′を囲む円筒形状のシンチレータおよび光ガイド等を含むようにすることもできる。

加速レンズ６は、円筒形フィルター電極５′の鉛直下方に配設される、レンズ作用を有する電極板である。加速レンズ６は、電源３４と接続され、正電位にされる。これにより、加速レンズ６は、加速場電極１４との間で、円筒形フィルター電極５′を通過した１次電子ビーム３１に集束を加える電界分布を形成する。

走査コイル１３、加速場電極１４および減速場電極１６は、背景技術の欄で述べたものと同様の構造を有し、走査コイル１３は、１次電子ビーム３１を走査する磁界を形成し、加速場電極１４は、可変電源１８により、正の４ｋＶ〜１６ｋＶ程度の電圧が印加され、加速場電極１４および減速場電極１６の間に、１次電子ビーム３１を集束させる電界レンズを形成する。

磁界レンズ制御部７は、磁界レンズ１５に流される電流を制御し、荷電粒子ビームである１次電子ビーム３１を試料１の表面に結像させる磁界を形成する。
制御部９は、電子銃制御部８、走査制御部２２、磁界レンズ制御部７および可変電源１８〜２０、３２、３３を制御し、１次電子ビーム３１の試料１への照射および走査を行い、さらに試料１から発生される２次電子を信号検出部４０及び４０´で検出し、試料１の画像情報を取得する。なお、この画像情報は、表示部２１に表示される。

ここで、電子銃３０で発生される１次電子ビーム３１の発生方向は、鉛直下方を中心として、放射状に拡がっている。１次電子ビーム３１は、後述する絞り、レンズおよび電極等の影響により、進行方向と直交する水平方向に集束および発散を繰り返す。図１に破線で示す１次電子ビーム３１′は、この集束および発散を行う鉛直方向位置を示している。特に、基準静電電極４および加速レンズ６間の、加速レンズ６寄りの位置には、１次電子ビーム３１′が一点に集束するクロスオーバーポイント４１が存在する。また、加速場電極１４および減速場電極１６の間では、電磁界レンズの効果により、１次電子ビーム３１′が再集束させられる。なお、１次電子ビーム３１′を示す破線の水平方向位置は、集束および発散の鉛直方向位置を模式的に分かり易く示したものであり、１次電子ビーム３１の実際の飛行軌道を現すものではない。

つづいて、本実施の形態１にかかる走査型電子顕微鏡１０で発生される２次電子の動作について説明する。なお、本動作では、試料１の電位が接地電位とされる場合について説明する。しかし、試料１の電位は、加速場電極１４、加速レンズ６、円筒形フィルター電極５および５′、並びに、基準静電電極４および４′等との相対電位が維持されていれば、接地電位に限定されず、任意の電位とすることができる。

図２および図３は、図１で示した走査型電子顕微鏡１０の１次電子ビーム３１により発生される２次電子、特にその飛行軌道を示す説明図である。なお、図２および図３では、２次電子５０の飛行軌道を決定する電極およびレンズ等のみを図示し、その他の制御部分は、図示を省略する。

図２は、円筒形フィルター電極５および５′の電位が、制御部９により、基準静電電極４の電位と同一にされる場合の、２次電子５０の飛行軌道を示す説明図である。試料１は、荷電粒子ビームである１次電子ビーム３１の照射により、２次電子５０を発生する。２次電子５０は、減速場電極１６からの漏洩電界により、加速場電極１４内に加速および吸入される。加速場電極１４内に吸入された２次電子５０は、加速場電極１４、磁界レンズ１５および減速場電極１６により形成される電磁界の影響を受け、集束および発散を行いつつ、鏡筒内の鉛直上方に存在する加速レンズ６および円筒形フィルター電極５′の方向へ進む。

２次電子５０は、加速レンズ６の位置に達すると減速され、強い集束作用を受ける。そして、２次電子５０は、集束および発散を行いつつ基準静電電極４の方向へ進む。
ここで、円筒形フィルター電極５′の電位は、基準静電電極４の電位と同一にされているので、２次電子５０は、加速レンズ６を通過し、円筒形フィルター電極５′に入力する際に、強く減速され進行方向を反転する。この進行方向が反転した２次電子５０は、水平方向の速度成分を有する際には、場合によっては加速レンズ６に衝突し、また、場合によっては、加速レンズ６との衝突を免れ、加速場電極１４により形成される加速電界の影響で、加速場電極１４の方向へ向かう。これにより、２次電子５０が、信号検出部４０および４０′に到達することが防止される。

図３は、円筒形フィルター電極５および５′の電位が、制御部９により、基準静電電極４の電位に対して正電位にされる場合の、２次電子５１の飛行軌道を示す説明図である。上述した図２の場合と全く同様に、２次電子５１は、試料１に照射された１次電子ビーム３１により発生され、加速レンズ６の位置に達する。

２次電子５１は、加速レンズ６の位置に達すると減速される。しかし、円筒形フィルター電極５′の電位は、図２の場合と比較して高い電位に保たれているので、２次電子５１が受ける減速効果は、小さなものとなる。

ここで、２次電子５１は、試料１から発生される際に、図４に示す様な電子エネルギーの分布を有する。ここで縦軸は２次電子数、横軸は電子エネルギーである。２次電子は、概ね３〜４ｅＶ以下の低エネルギー帯の２次電子と、３〜４ｅＶを越えるエネルギー帯のものとからなる。なお、低エネルギー帯の２次電子は、背景技術の欄で述べた様に、図１〜３に示す減速場電極１６を有する走査型電子顕微鏡１０を用いる際に、２次電子５１の一部として鏡筒内に吸入される。

制御部９は、円筒形フィルター電極５′に印加される正の電位を、低エネルギー帯の２次電子が有する電子エネルギーが零となる３〜４Ｖ程度に設定する。これにより、円筒形フィルター電極５′の鉛直方向位置に到達した低エネルギー帯の２次電子は、円筒形フィルター電極５′および加速場電極１４間に形成される電界による集束効果と相俟って、円筒形フィルター電極５′に向かう２次電子５１ａを形成する。そして、２次電子５１ａは、メッシュ状の円筒形フィルター電極５′の側面を透過し、信号検出部４０′において検出され、電気信号に変換される。

一方、３〜４ｅＶを越えるエネルギー帯の２次電子は、円筒形フィルター電極５′および基準静電電極４を鉛直上方に向かって通過し、２次電子５１ａと同様の集束効果により、円筒形フィルター電極５に向かう２次電子５１ｂを形成する。そして、２次電子５１ｂは、メッシュ状の円筒形フィルター電極５の側面を透過し、信号検出部４０において検出され、電気信号に変換される。

その後、制御部９は、信号検出部４０′および４０において検出された電気信号を、走査制御部２２で形成される同期信号に同期させて、表示部２１に表示する。この際、制御部９は、信号検出部４０′および４０から出力される電気信号を選択し、一方のみをＳＥＭ画像として表示部２１に表示する。また、制御部９は、これら２つの電気信号を、画像処理的手法を用いて合成したＳＥＭ画像の表示を行うこともできる。

上述してきたように、本実施の形態１では、円筒形フィルター電極５および５′、並びに、基準静電電極４および４′を、電子銃３０および加速場電極１４の間に設け、円筒形フィルター電極５および５′に正の電位を印加し、さらに制御部９によりこの電位を調整することにより、試料１で発生された２次電子の発生の際のエネルギーの大きさにより、２次電子５１を分離検出することとしているので、低エネルギー帯の２次電子を除去することができ、ひいてはＳＥＭ画像に含まれる像全体を明るくする成分を除去することができる。

また、本実施の形態１では、２次電子５１に含まれる低エネルギー帯の２次電子を除去する場合を例示したが、同時に加速レンズ６、開き角制御レンズ３の電位を調整することにより、１次電子ビーム３１の飛行軌道を最適化し、分解能を向上することもできる。

また、本実施の形態１では、２次電子５１は、基準静電電極４の近傍位置で、２次電子のエネルギーを最小とし、２次電子の速さが最小となるが、２次電子５１を吸引する円筒形フィルター電極５および５′に印加する電位が小さな条件で２次電子５１に含まれる電子のエネルギーに基づいた選別を可能とできるため、高精度な２次電子選択を可能とすることができる。

また、本実施の形態１では、基準静電電極４および４′は、図示しない可変電源により、試料１と同電位にされることとしたが、基準静電電極４および４′の試料１に対する電位を変化させることにより、２次電子５１に含まれる電子のエネルギーに基づいた選別を、より適正で高精度なものとすることもできる。

また、本実施の形態１では、信号検出部４０および４０′は、円筒形フィルター電極５および５′の側面に１つずつ配設されたが、円筒形フィルター電極５および５′を囲む様に複数個の信号検出部を配設し、異なる方向に透過する２次電子を別個に検出することもできる。

また、本実施の形態１では、１次電子ビーム３１の集束条件、例えば可変電源１８〜２０等の電圧を変更する際に、電界が変化するので試料１から発生される２次電子５３の水平方向の拡がりも変化する。そして、この変化は、同時に円筒形フィルター電極５および５′による、２次電子５３の分離検出機能も変化させる。

図５は、１次電子ビーム３１の集束条件を変化させた場合に生じる、２次電子５３ａの飛行軌道の変化を示す説明図である。１次電子ビーム３１の集束条件を変化させた場合に、２次電子５３ａは、試料１からの射出角度により、２次電子５３ａの様に加速場電極１４が存在する鉛直方向位置近傍で、水平方向に位置ずれを生じる。この水平方向の位置により、加速レンズ６が有する球面収差の影響が異なるので、２次電子５３ａは、同一の電子エネルギーを有する場合にも、図５に示す様に異なる鉛直方向位置で水平方向に向かう飛行軌道の変化を生じる。また、これは２次電子５３ａを分離検出する際の、エネルギー分解能を低下させる。

ここで、制御部９は、減速場電極１６に印加する可変電源１９の電圧を変更し、試料１から発生される２次電子５３の射出方向の開き角度を狭くし、ひいては２次電子５３の加速場電極１４が存在する鉛直方向位置近傍での水平方向位置ずれを小さなものとすることにより、エネルギー分解能の低下を防止することができる。

図６は、図５と同様の１次電子ビーム３１を集束させる条件のもとで、可変電源１９の電圧を図５の場合と比較してより最適化した場合に、２次電子５３ｂが示す飛行軌道の説明図である。減速場電極１６および試料１の間には、図５の場合と比較してより最適化された電位が印加されるので、試料１で発生された２次電子５３は、射出角度の拡がりが小さなものとなる。これにより、２次電子５３ｂは、加速場電極１４が存在する鉛直方向位置近傍での水平方向の位置ずれが小さなものとなり、球面収差の影響も小さなものとなるので、２次電子のばらつきが小さくなる。

また、水平方向に拡がりを有する２次電子５３ａに対する、加速レンズ６が有する球面収差の影響を軽減するために、１次電子ビーム３１′が集束するクロスオーバーポイント４１近傍の水平方向位置に回転対称型レンズである磁界コイル７１を設けることもできる。

図７は、１次電子ビーム３１′にクロスオーバーポイント４１を形成させる加速レンズ６の水平方向横に、回転対称型レンズである磁界コイル７１および磁界コイル制御部４４を設けた構成図である。なお、磁界コイル制御部４４は、制御部９に電気接続される。磁界コイル７１は、１次電子ビーム３１′のクロスオーバーポイント４１に鉛直方向を向く磁界を形成する。クロスオーバーポイント４１において、１次電子ビーム３１′は集束して、概ね進行方向と磁界方向とが一致するので、磁界コイル７１の磁界が１次電子ビーム３１′に与える影響は小さなものとなる。

一方、２次電子５３ａは、磁界コイル７１の磁界により、中心軸方向に集束され、水平方向の拡がりは小さなものとなる。そして、水平方向の拡がりを有する際に生じる加速レンズ６が有する球面収差の影響は、限定されたものとなり、ひいては２次電子５３ａの集束位置のばらつきを軽減することができる。

また、図７では、回転対称型レンズとして磁界コイル７１を用いた例を示したが、磁界コイル７１の代わりに回転対称構造の静電電極板を配設し、この静電電極板が形成する静電界により２次電子を中心軸方向に集束させることもできる。この際、静電電極板の電位は、基準静電電極４および加速レンズ６の電位の中間電位にされ、１次電子ビーム３１′への影響が小さなものとされる。

図８は基準静電電極の構成例を示す図である。図８は基準静電電極をＺ方向から見た図を示している。ここでは、基準電極４を４ａ〜４ｄの偏向電極に分割した場合を示している。図では、４分割しているが、４分割に限るものではなく、任意の数の偏向電極に分割することができる。９０は基準電極電源、９１ａ〜９１ｄはそれぞれの偏向電極に電圧を与える電源である。これら電源９０と９１ａ〜９１ｄはその電圧を可変することができるようになっている。基準電極電源９０と電源９１ａ〜９１ｄは接続されており、それぞれの電源９１ａ〜９１ｄに基準電極電源９０の電圧がオフセットとして与えられている場合であり、それぞれの偏向電極９１ａ〜９１ｄに電圧が印加されている例を示している。基準電極を２極以上に分割することで、２次電子分散させる際の分散方向を制御可能としている。

図９は本発明の一実施の形態を示す構成図である。図１，図２と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、４は図８に示す基準静電電極である。９５は該基準静電電極４に電圧を印加させる基準電極電源であり、図８の電源９０と９１ａ〜９１ｄを含んだものである。９７は磁界レンズ１５を制御する磁界レンズ制御部である。その他の構成は、図１，図２に示すものと同一である。

図８に示したように、分割した電極に印加する電圧を制御することで、２次電子５０の飛行方向毎（軸上回転方向）に２次電子フィルターの効果を変化させることができる。
上述の実施の形態では、信号検出部を基準静電電極４の上下にそれぞれ１つずつ合計２つを設けた場合を示したが、信号検出部は基準静電電極４の上方向又は下方向に１つ設けるようにしてもよい。
（実施の形態２）
ところで、上記実施の形態１では、試料１の表面が１次電子ビーム３１の照射方向に対して直交する場合を示したが、荷電粒子ビームである１次電子ビーム３１の照射方向に対して、試料１を直交する方向から大きく傾いた斜め方向に傾かせ、試料１の表面を観察する場合が存在する。図１６は、図１５の走査型顕微鏡１００と同様の構成を有する際に、水平方向に対して傾けられた試料１から発生される２次電子１１０の飛行軌道を例示している。２次電子１１０は、試料１の傾きに応じて、その飛行軌道が、１次電子ビーム３１の存在する中心軸からずれた歪んだものとなる。これは、図１６に破線で示す減速場電極１６の試料１側に形成される漏洩電界１１１の分布が、傾いた試料１の影響で１次電子ビーム１１の中心軸に対して非軸対称の分布となることによる。

また、図１２は、図１の走査型顕微鏡１０と同様の構成を有する際に、水平方向に対して傾けられた試料１から発生される２次電子１２０の飛行軌道を例示する説明図である。図１２では、２次電子１２０が加速レンズ６に衝突したり、あるいは、円筒形フィルター電極５′を透過するはずのものが、円筒形フィルター電極５を透過したりしている。

そこで、本実施の形態２では、減速場電極１６と試料１の間に形成される漏洩電界１１１の分布を整形し、２次電子１２０が中心軸に沿った飛行軌道を描く様にする場合を示すことにする。

ここで、本実施の形態２（図１１）にかかる走査型電子顕微鏡６０は、減速場電極１６の試料１側に設けられる偏向電極を構成する偏向電極板８１〜８３および可変電源８６〜８８を省いて、走査型電子顕微鏡１０の構成と全く同様であるので、同様の部分の説明を省略し、偏向電極板８１〜８３および可変電源８６〜８８についてのみ説明する。

図１０は、減速場電極１６の試料１側に配設される偏向電極板８１〜８３および偏向電極板８１〜８３の電位を決定する可変電源８６〜８８を示す図である。図１０（ａ）は、減速場電極１６に配設される偏向電極板８１〜８３を、試料１側から荷電粒子ビームである１次電子ビーム３１の中心軸方向から見た図である。扇形の湾曲した形状を有する３枚の偏向電極板８１〜８３は、コーン状の減速場電極１６の側面に、試料１が近接配置される側が、偏向電極板の空き状態となる様に配列される。

また、偏向電極板８１〜８３には、可変電源８６〜８８が接続され、減速場電極１６に印加される電位に対して負の電位とされる。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す減速場電極１６および偏向電極板８１のＡＡ′断面を、試料１を含めて示した断面図である。試料１は、偏向電極板８１〜８３が存在しない空き状態の減速場電極１６の側面で、減速場電極１６に近づく様な傾きを有する。この傾きを有する試料１、並びに、減速場電極１６および偏向電極板８１〜８３の間に形成される漏洩電界１１２の形状は、電気力線を用いて、模式的に図１０（ｂ）中の破線で示されている。

偏向電極板８１は、可変電源８６により、減速場電極１６の電位よりも低電位とされる。これにより、漏洩電界１１２は、図１６または図１２に示す漏洩電界１１１よりも、１次電子ビーム３１の飛行軌道をなす中心軸に対して、軸対称な形状に近似し、歪みが減少する。

図１１は、偏向電極板８１〜８３および可変電源８６〜８８を有する走査型電子顕微鏡６０の２次電子５４が描く飛行軌道を示す図である。漏洩電界１１２は、偏向電極板８１〜８３の存在により、中心軸に対して軸対称な形状に近似し、歪みの少ないものとなるので、１次電子ビーム３１および２次電子５４に与える漏洩電界の影響が小さなものとなる。

この結果、２次電子５４は、中心軸に沿った飛行軌道を描き、図３に示した様な、試料１の表面が水平に配置される場合に発生される２次電子５１と同様の飛行軌道を描く。そして、加速レンズ６および基準静電電極４により減速された２次電子５４は、実施の形態１の場合と同様に、円筒形フィルター電極５あるいは５′を透過し、信号検出部４０あるいは４０′で検出される。

上述してきたように、本実施の形態２では、試料１の表面が１次電子ビーム３１の進行方向と直交する水平方向に対して傾きを有する際に、減速場電極１６の試料１側に、傾き方向に非対称となる様に偏向電極板８１〜８３を配設し、偏向電極板８１〜８３の減速場電極１６に対する電位を制御し、漏洩電界１１２を中心軸に対して軸対称な形状に近似することとしているので、２次電子５４の飛行軌道を中心軸に沿ったものとし、加速レンズ６、基準静電電極４、円筒形フィルター電極５および５′を用いた２次電子５４のエネルギーによる選別を精度の高いものとし、ひいては取得される試料１の画像情報を、試料１の傾きにかかわらず安定して取得することができる。

また、本実施の形態２では、偏向電極板８１〜８３の電位を決定する可変電源８６〜８８は、同様に制御することとしたが、可変電源８６〜８８を個別に制御し、試料１の表面の傾き方向と直交する方向で、漏洩電界の歪みを補正することもできる。この歪みは、中心軸に対して回転対称の構造を有する減速場電極１６の加工精度に起因する誤差、あるいは偏向電極板８１〜８３を有する減速場電極１６と試料１との相対位置の誤差等により発生し、特に減速場電極１６に高電圧を印加した場合に大きくなるものである。
（実施の形態３）
図１３は本発明の第３の実施の形態を示す構成図である。図１，図２と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、３１は１次電子ビーム、２は制限絞り、３は開き角制御レンズ、４´は第２の基準静電電極、４は第１の基準静電電極である。５は第１の円筒形フィルター電極、５´は第２の円筒形フィルター電極である。基準静電電極４は円筒形フィルター電極５と５´の間に設けられている。３２は円筒形フィルター５に印加する電圧を与える可変電源、３３は円筒形フィルター５´に印加する電圧を与える可変電源である。５０は試料１から放出される２次電子である。

４０は基準静電電極４の上部に配置された第１の２次電子信号検出部、４０´は基準静電電極４と加速レンズ６の間に設けられた第２の２次電子信号検出部、４０´´は加速場電極１４に追加された第３の２次電子信号検出部である。１３は走査コイル、２２は該走査コイル１３に走査制御信号を与える走査制御部である。２１は各信号検出部で検出された信号を画像として表示する表示部である。

１４は加速場電極、１８は該加速場電極１４に電圧を印加する可変電源、１５は磁界レンズ、７は該磁界レンズ１５に与える電流を制御する磁界レンズ制御部である。１は試料、２０は試料１に電位を与える可変電源、４１は磁界レンズ１５と試料１との間に配置された減速レンズ、１９は該減速レンズ４１に電位を与える可変電源である。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

この実施の形態は、低いエネルギーを有する２次電子の総量を信号検出部４０´´で検出するようにしたものである。図４に示したように、エネルギーの低い１〜３ｅＶ領域の２次電子は、試料１表面での帯電情報を保有している。これらの２次電子は、電子エネルギーが低いため、円筒形フィルター電極５´で選択されなかった場合、加速場電極１４で加速される。そして、信号検出部４０´´で検出することにより、帯電情報を有する信号のみを検出することができる。

図１３では試料１から放出された２次電子をその持つエネルギー帯に分けて検出する。そのため、第１の信号検出部４０、第２の信号検出部４０´、第３の信号検出部４０´´でそれぞれ検出している。即ち、一番エネルギーの高い２次電子は第１の信号検出部４０で、その次のエネルギーを持つ２次電子は第２の信号検出部４０´で、エネルギーの最も低い２次電子は第３の信号検出部４０´´で検出するようにしている。

しかしながら、帯電電子と２次電子を分離するだけであるならば、円筒形フィルター電極５´及び信号検出部４０´は無くした構成であってもよい。図１４は実施の形態３の他の構成例を示す図である。図１３と同一のものは、同一の符号を付して示す。図１３との比較で分かるように、図１４に示す実施の形態では、円筒形フィルター電極５´及び信号検出部４０´が無い構成となっている。その他の構成は、図１３に示す構成と同じである。

荷電粒子ビーム装置である走査型電子顕微鏡の全体構成を示す構成図である。 実施の形態１にかかる走査型電子顕微鏡の２次電子の飛行軌道を示す説明図である（その１）。 実施の形態１にかかる走査型電子顕微鏡の２次電子の飛行軌道を示す説明図である（その２）。 試料から発生される２次電子の、エネルギー分布を示す説明図である。 実施の形態１にかかる走査型電子顕微鏡の２次電子の飛行軌道を示す説明図である（その３）。 実施の形態１にかかる走査型電子顕微鏡の２次電子の飛行軌道を示す説明図である（その４）。 実施の形態１にかかる走査型電子顕微鏡の２次電子の飛行軌道を示す説明図である（その５）。 基準静電電極の構成例を示す図である。 本発明の一実施の形態例を示す構成図である。 実施の形態２にかかる走査型電子顕微鏡に配設される偏向電極の詳細な構成を示す構成図である。 実施の形態２にかかる走査型電子顕微鏡において、試料１を傾斜させた場合に発生される２次電子の飛行軌道を示す説明図である。 実施の形態１にかかる走査型電子顕微鏡において、試料１を傾斜させた場合に発生される２次電子の飛行軌道を示す説明図である。 本発明の第３の実施の形態を示す構成図である。 本発明の実施の形態３の他の構成例を示す図である。 従来の走査型電子顕微鏡の構成および２次電子の飛行軌道を示す説明図である。 従来の走査型電子顕微鏡の構成において、試料１を傾斜させた場合に発生される２次電子の飛行軌道を示す説明図である。

符号の説明

１ 試料
３ 開き角制御レンズ
４、４′ 基準静電電極
５、５′ 円筒形フィルター電極
６ 加速レンズ
７ 磁界レンズ制御部
８ 電子銃制御部
９ 制御部
１０、６０、１００ 走査型電子顕微鏡
１１、３１、３１′ １次電子ビーム
１２ ２次電子
１３ 走査コイル
１４ 加速場電極
１５、７１ 磁界レンズ
１６ 減速場電極
１７ 信号検出器
１８〜２０ 可変電源
２１ 表示部
２２ 走査制御部
２４ 電子検出部
３０ 電子銃
３２〜３４ 可変電源
４０、４０′、４０´´ 信号検出部
４１ クロスオーバーポイント
４４ 磁界レンズ制御部
５０、５１、５３、５４ ２次電子
８１〜８３ 偏向電極板
８６〜８８ 可変電源
１１０、１２０ ２次電子
１１１、１１２ 漏洩電界

Claims (19)

1. 荷電粒子ビームが照射される試料と、
   前記試料の試料電位を基準として、前記荷電粒子ビームの加減速を行なう静電界形成手段と、
   前記試料から、前記荷電粒子ビームの照射方向に発生される２次電子を検出する信号検出部と、
   を備える荷電粒子ビーム装置であって、
   前記静電界形成手段は、中央に前記荷電粒子ビームを通過させる空孔を有する円板状の基準静電電極、中央に前記荷電粒子ビームを通過させる空洞を有し、前記基準静電電極を前記通過の前後方向から挟む位置に配設される一対の円筒形フィルター電極及び前記円筒形フィルター電極の電位を変化させる可変電源を有し、
   前記信号検出部は、前記基準静電電極の上方向及び下方向のうち、少なくとも１つの方向に配設されることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
2. 前記円筒形フィルター電極は、円筒形の側面がメッシュ状の金網からなることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム装置。
3. 前記円筒形フィルター電極は、前記試料電位よりも高電位にされることを特徴とする請求項１又は２記載の荷電粒子ビーム装置。
4. 前記静電界形成手段は、前記基準静電電極の電位を変化させる可変電源を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置。
5. 前記信号検出部は、前記面内の異なる複数の方向に配設されることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置。
6. 前記静電界形成手段は、前記試料に荷電粒子ビームを射出する側に減速場電界を生成する際に、前記減速場電極及び前記試料の間に、前記通過を行なう方向を向く軸に対して非回転対称の形状を有する偏向電極を備えることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置。
7. 前記偏向電極は、扇形の湾曲形状を有し、前記荷電粒子ビームを互いに異なる方向から囲む３つの偏向電極を備えることを特徴とする請求項６記載の荷電粒子ビーム装置。
8. 前記偏向電極は、前記偏向電極板により、前記荷電粒子ビームを中心として前記荷電粒子ビームの走行方向と直交する周囲３６０度方向の内の４分の３の領域を占有することを特徴とする請求項７記載の荷電粒子ビーム装置。
9. 前記荷電粒子ビーム装置は、３つの前記偏向電極に接続され、前記偏向電極板毎に電位を変化させる３つの可変電源を備えることを特徴とする請求項７又は８記載の荷電粒子ビーム装置。
10. 前記可変電源は、前記偏向電極板の電位を、前記２次電子の飛行軌道が前記荷電粒子ビームの飛行軌道に近づく方向に変化させることを特徴とする請求項９記載の荷電粒子ビーム装置。
11. 前記荷電粒子ビームは、前記基準静電電極と加速レンズ間で集束されることを特徴とする請求項１乃至１０の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置。
12. 前記荷電粒子ビーム装置は、前記基準静電電極の前記荷電粒子ビームが通過する方向に配設される加速レンズを備えることを特徴とする請求項１１記載の荷電粒子ビーム装置。
13. 前記荷電粒子ビーム装置は、前記荷電粒子ビームが集束する位置で、前記２次電子を集束させる回転対称型レンズを備えることを特徴とする請求項１乃至１２の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置。
14. 前記回転対称型レンズは、前記位置に磁界を形成する磁界コイルを備えることを特徴とする請求項１３記載の荷電粒子ビーム装置。
15. 前記回転対称型レンズは、前記位置に電界を形成する静電電極板を有し、前記静電電極板は、前記基準静電電極及び前記加速レンズの電位の中間電位を有することを特徴とする請求項１３記載の荷電粒子ビーム装置。
16. 前記回転対称型レンズは、前記位置が前記基準静電電極の空孔である際に、前記空孔近傍に前記２次電子を集束させることを特徴とする請求項１３乃至１５の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置。
17. 前記基準静電電極は回転対称方向に少なくとも４個以上の電極に分割され、分割されたそれぞれの電極に電圧を印加し、試料から放射された２次電子の飛行方向を調整することを特徴とする請求項１乃至１６の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置。
18. 前記試料から放射される２次電子のうち、帯電情報のみを持つ低エネルギーの２次電子を検出する信号検出部を加速レンズの下方に配設することを特徴とする請求項１乃至１７の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置。
19. 前記荷電粒子ビーム装置は、前記荷電粒子ビームの荷電粒子が電子であることを特徴とする請求項１乃至１８の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置。

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