JP2021048114A - 走査型電子顕微鏡および走査型電子顕微鏡の２次電子検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】第１偏向装置、第２偏向装置、第３偏向装置で発生する偏向収差をキャンセルして低減し、サンプル表面で発生する２次電子を高い空間分解能で検出する走査型電子顕微鏡および走査型電子顕微鏡の２次電子検出方法を提供する。【解決手段】１次電子照射系で生成された１次電子を偏向する第１偏向装置４と、第１偏向装置で偏向された１次電子を逆方向に偏向して収差をキャンセルし、結像系の軸に一致させてサンプルに照射させると共に、サンプルから放出された２次電子を前記１次電子と逆方向に偏向して分離する、磁界と電界で構成される第２偏向装置５と、第２偏向装置で偏向されて結像系の軸に一致させた後の１次電子を細く絞ってサンプルに照射すると共に、サンプルから放出された２次電子を第２偏向装置５に入射させる対物レンズからなる結像系と、第２偏向装置５で偏向された後の２次電子を検出する２次電子検出系とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、サンプルから放出された２次電子を検出して該サンプルの２次電子画像を生成する走査型電子顕微鏡および走査型電子顕微鏡の２次電子検出方法に関するものである。

半導体産業はムーアの法則で有名な微細加工技術の進展によりもたらされるデバイス性能向上およびコストメリットで経済が支えられている。しかし、半導体デバイスの微細加工限界は露光技術によって決定される。露光技術はパターンを作り出すためのフォトマスクと呼ばれる原版と露光装置およびパターンを形成するレジストから成っている。現状露光装置は４対１の縮小露光技術が使用されているため、半導体デバイスが実際に作られるシリコンウエハー上の構造物の４倍の大きさの構造がフォトマスク上に形成されている。

フォトマスク上に作られたパターンを如何に正確にウエハー表面のレジスト膜へと転写できるかが露光技術最大の課題である。仮にフォトマスクに異常があればそれは露光装置によってウエハー表面に転写されウエハー上に不具合が生じる。

露光不良を防止するためには少なくともフォトマスクを検査して正しい状態に修正し完璧な状態にすることが必要である。露光に利用される光の波長は時代とともに短波長化が進められている。

２０世紀終盤から露光光源には１９３ｎｍの光源が使用されてきたため、長期にわたってフォトマスク上のパターンは１９３ｎｍ等のレーザー光線を照明光とする光学式マスクパターン検査装置を用いて検査が行われてきた。

しかしながら、２０１９年より波長が１３．５ｎｍと短いＥＵＶ光を用いた露光技術が本格導入されたため、露光できる微細加工限界がより小さくなり、フォトマスク上のパターンも従来の最小パターンサイズ１００ｎｍ程度の大きさから６０ｎｍ以下と小さくなり、従来の１９３ｎｍの光では十分な検査が出来なくなってきた。

一方、１３．５ｎｍの波長を用いたいわゆるアクティニック検査装置も開発中である。しかし、波長が１３．５ｎｍと短くなると空気によって吸収されてしまうため、装置を真空化する必要が生じ非常に複雑に成る。また、１３．５ｎｍの光を透過できる光学レンズが存在しないため、光学系は全て反射光学系となり、これもまた複雑で効率の悪いものに成る。

光学装置の解像度は開口率ＮＡに比例する性質がある。例えば、１９３ｎｍを用いた光学系の場合、液浸や油浸などを利用することにより１を超える大きな開口率が実現できるため、１９３ｎｍと長い波長であるにもかかわらず４０ｎｍ程度のパターンを解像することが出来る。一方、ＥＵＶ光を用いた場合、反射光学系を用いるためＮＡが０．３などと小さな開口率しか実現できず、波長が１０分の１と短いにもかかわらず精々２７ｎｍ程度の解像度しか得られず、波長が短く成った割には性能向上が小さい。

また、例えば検出対象がパーティクルの場合、パーティクルサイズの６乗に比例して反射光が弱まり、波長の２乗で反射光が強くなる。つまり、パーティクルサイズが小さくなると信号強度は急激に弱くなるため検出感度は激減する。このように光学技術を用いたフォトマスク検査技術は技術的に限界を迎えている。また、従来光学原理を用いた装置は大気中で動作したため、装置製造や運用が容易であったが、波長が短くなると空気に吸収されてしまうため真空チャンバーが必要となり電子ビームに対する使い勝手に対する優位性が無くなる。

一方、ｎｍオーダー以下の高解像度を実現する技術としては電子顕微鏡がある。３０年以上前から電子ビームを用いた電子ビーム式検査技術が開発されてきている。商品化は行われているが中々主たる検査装置としては実用化していないのが現状である。

レーザー光線と違い電子ビームにはレーザーのようにエネルギーの分散が小さくて輝度の高い電子ビーム源が無い。さらに電子はマイナス電荷を持つため絞り込むと電子同士がお互いに静電反発する。そのため、高速検査に必要とされる大電流を流すと光学限界以上に最小ビームスポットサイズが大きくなってしまい、分解能が劣化する。つまり、１本の電子ビームを用いた場合、分解能と検査速度は非常にきついトレードオフの関係があるため、容易に検査速度を上げることが出来ていない。

例えば、現在知られている１つのビームを用いて実現できる最高速度は精々数百Ｍピクセル毎秒である。フォトマスクは凡そ１０ｃｍ角の領域にパターンが書かれているため、その領域を全て検査することが必要である。例えば、現在のフォトマスク上のパターンが十分に解像できる１０ｎｍの分解能で検査するためには、１０の１４乗ピクセルの画素を取得する必要がある。例えば１００Ｍピクセル毎秒で画素取得すると１０の６乗秒が必要で２７７時間つまり１０日以上掛かる。従来のフォトマスク検査装置は約２時間で１枚のフォトマスクを検査することが可能なので、これでは遅すぎて実用上使えない。

一方、最近マルチビーム検査装置と呼ばれる電子ビームを複数個同時にサンプルに照射して高速検査を行う方法が研究されている。

この方法では、１００本以上の小さな電子ビームを同時に照射して走査を行うため１本に流す電流量を小さく抑えることが可能で、高分解能を維持したままで検査速度を従来の１本の電子ビームを用いた場合と比較して高速に出来るとされている。

しかしながら、従来から多くのリソースが投入され色々な形式の検査装置が開発されており、非常に有望視されているが、当初思ったほどの高速化や高分解能化が実現できておらず、未だに半導体用検査装置としては商品化されていない。

半導体産業で使用する装置は工業用計測装置であり一種のミッションクリティカルな装置で２４時間３６５日不具合を起こさずに稼働し続ける必要があるため、原理的にロバストが必須である。

理科学機器装置のように大学の先生や生徒が偶に使って論文が書ける程度では全く実用上使えない。いろいろな測定条件や測定対象あるいは環境変化さらに長期にわたって性能が安定に保たれている必要がある。

上述したマルチビーム検査装置では、シングルビーム式のＣＤＳＥＭ自身は既に工業計測装置としての安定度を実現しているため、通常の電子ビーム光学系自身の安定性はかなり担保されている。しかし、ロバスト性を失う１つの原因は通常のシングルビームの電子ビーム光学系には存在しないビームスプリッターを実装しているところにある。ビームスプリッターは超精密工学機器であり、ミクロンオーダーの高度の加工精度と組み立て精度を要求する。

ビームスプリッターは１次電子ビームとサンプルからの信号電子である２次電子ビームを分離するための装置である。写像光学系を用いた場合、１次電子を収束させる光学系と、２次電子を収束させる光学系を同時に持つ必要がある。同じ軌道上にある電子に対して異なった電子光学系を適用して両者に対して同時最適化することは原理的および実用上非常に困難である。

そこで、従来から１次電子ビームの軌道と、２次電子ビームの軌道を分けて別々の光学系を用いて最適化を図ってきた。それを行うためにビームスプリッターが必要とされる。

ビームスプリッターは従来からＥＸＢと呼ばれるウィーンフィルターあるいは電磁場のみを用いた磁場プリズムアレイなどで構成されていた。もともと従来のビームスプリッターは名前からも明らかなようにビームに含まれている色々なエネルギーの電子ビーム成分を偏向することにより個々のエネルギービームにスペクトル分解して細いスリットを通過させることでエネルギーの揃っている一部分を取り出すことにあり、これを無理に転用したものである。

１次電子ビームと２次電子ビームを分離するためには、１次電子と２次電子を進行方向に対して逆の方向に偏向することが必要である。そのためにフレミングの法則で知られる磁気偏向装置を用いて１次電子と２次電子がお互いに逆の方向に進行方向に進むことを利用してお互いに逆方向に偏向をすることで分離している。

ＥＸＢは１次電子あるいは２次電子のいずれかが磁場偏向しないように電子のエネルギーに匹敵するような大きな電場を加えて調整する仕組み。これは、目的とする電子ビームを直進させることでレンズ収差発生を小さく抑えることにある。偏向量は１０度程度と余り大きく偏向することは出来ないので、そのままでは１次電子ビーム用のコラムと２次電子用のコラムが接触してしまう。そこで、分離が大きくなるように分離した電子ビームにさらに電場や磁場を加えて同じ方向に曲げるなどして利用している。

一方、電磁場プリズムアレイでは、ただ磁場を加えて電子ビームを曲げるだけなので、大きな磁場を容易に適用できる。いくつかの電磁偏向器を同じ方向に曲がるように２つ以上の磁場偏向器をアレイにして用いることで９０度近い偏向が実現できる。

１次電子ビームのエネルギーがレーザーのように正確に一定であれば、偏向収差が発生しないので上記偏向器を用いて理想的に自由に電子ビームの軌道を変えることが出来る。

しかしながら実際の１次電子ビームには電子ビーム発生原理に依存した１エレクトロンボルト程度のエネルギー分布があるため、磁気偏向装置を通過すると偏向されるに従って、電子エネルギーごとに偏向量が異なるため、虹のようにビームが広がってしまう。つまり１次電子ビームが空間的に分散してしまい対物レンズで絞った際のビームスポットの最小径が大きくなってしまい、到達分解能が低くなってしまう原因に成る。

一方、２次電子ビームにおいては１次電子ビームよりも１００倍も大きい最大０から１００エレクトロンボルト程度のエネルギー分布があるため、磁気偏向装置を通過すると１次電子ビームよりも１００倍以上も電子ビームが広がってしまうため、２次電子検出素子面において高い空間分解能を得ることが非常に困難であった。これは、ＥＸＢなどのウィーンフィルターが電子ビームのエネルギーを分離するための道具であることから来る自然な結論である。

従来、これらの不具合を低減するため１次電子ビームには１５ＫＶ以上の高い加速電圧を用いて見かけ上のエネルギー分散の割合を小さくして偏向収差の影響を小さくする施策が取られてきた。同様に２次電子ビームに対しても１５ＫＶ程度の加速電圧を印加して加速することで偏向収差の影響を低減してきたため装置に耐電圧が必要となり大掛かりに成っていた。さらに収差の影響を防止するために特定のエネルギーをもつ電子だけを抽出して利用するために数ミクロンの細いスリットを通過させるため、利用できる信号電子量が減少し画像が暗くなりＳＮＲが劣化する等の現象が生じていた。

更に、別の原因として、偏向装置は電子のエネルギーに依存した偏向量を示すためサンプル表面が帯電して２次電子のエネルギーが数ボルトから数百ボルトに変化すると偏向量が１００倍も変化するため正しい２次電子画像を得ることが出来ないという課題があった。サンプル電位を０Ｖあるいは一定の電位に固定できる場合にのみ測定可能で事実上一般的なサンプルや絶縁体の測定は不可能であった。

そのため、本発明は、従来の技術思想とは全く逆に極力電子ビーム軌道をエネルギーの違いによって分散をさせないことに目的を置いている。偏向装置で発生するエネルギー分散に起因する偏向収差をキャンセルしてあるいは低減して１次電子ビームをより小さなビームに絞り、サンプル表面で発生した２次電子を高い空間分解能で検出すると共に、リターディング電圧を印加して低エネルギー電子ビームにも関わらず高分解能で検出可能、更に、低真空中でも高分解能で検出可能にすることを提案する。

本発明は、１次電子をサンプルに照射し、該サンプルから放出された２次電子を検出してサンプルの２次電子画像を生成する走査型電子顕微鏡において、１次電子を生成して加速する１次電子照射系と、１次電子照射系で生成された１次電子を偏向する第１偏向装置と、第１偏向装置で偏向された１次電子を逆方向に偏向して収差をキャンセルし、結像系の軸に一致させてサンプルに照射させると共に、サンプルから放出された２次電子を１次電子と逆方向に偏向して分離する、磁界と電界で構成される第２偏向装置と、第２偏向装置で偏向されて結像系の軸に一致させた後の１次電子を細く絞ってサンプルに照射すると共に、サンプルから放出された２次電子を第２偏向装置に入射させる対物レンズからなる結像系と、第２偏向装置で偏向された後の２次電子を検出する２次電子検出系とを備えるようにしている。

この際、第２偏向装置で偏向して分離された２次電子を、第２偏向装置の偏向方向と逆方向に偏向して収差をキャンセルする第３偏向装置を設け、第３偏向装置で偏向して収差をキャンセルした後の２次電子を検出する２次電子検出系とを備えるようにする。

また、第１偏向装置および第３偏向装置は、磁界あるいは電界あるいは磁界と電界の４極以上を有する偏向装置とするようにしている。

また、第２偏向装置は、磁界の２極あるいは磁界と電界の各４極以上を有し、１次電子の進行方向と逆方向の２次電子を分離するようにしている。

また、サンプルと対物レンズの先端部分との間にリターディング電圧を印加し、サンプルに低加速電圧の１次電子にして照射するようにしている。

また、対物レンズの部分に隔膜を設けて、隔膜を境にサンプル側を低真空、反対側を高真空に保持するようにしている。

本発明は、第１偏向装置、第２偏向装置、第３偏向装置で発生する偏向収差をお互いにキャンセルして低減することで、１次電子ビームをより小さなビームに絞り、サンプル表面で発生する２次電子を高い空間分解能で検出できる。

また、低真空中における高分解能の電子ビーム検査装置を実現できる。

本発明は、第１、第２、第３の偏向装置で発生する偏向収差をお互いにキャンセルして低減して１次電子ビームをより小さなビームに絞り、サンプル表面で発生した２次電子を高い空間分解能で検出すると共に、リターディング電圧を印加して低エネルギー電子ビームかつ高分解能で検出可能、更に、低真空中でも高分解能で検出可能にすることを実現した。

図１は、本発明の原理構成図を示す。

図１において、１次電子１は、照射系で発生された１次電子である。

２次電子２は、１次電子を細く絞ってサンプル８に照射し、放出された２次電子である。

ビームスプリッタ３は、１次電子１をサンプル８に照射し、サンプル８から放出されｔ２次電子２を１次電子１から分離するものであって、第１偏向装置４、第２偏向装置５、第３偏向装置６から構成されるものである。

第１偏向装置４は、１次電子１を偏向するものであって、磁界、電界、あるいは磁界と電界で構成される４極以上の偏向装置である。

第２偏向装置５は、１次電子１と、走行方向が逆の２次電子２とを分離するものであって、少なくとも磁界あるいは磁界と電界の両者で構成され、各４極以上の偏向装置である。

第３偏向装置６は、第１偏向装置と同様のものであり、２次電子を偏向するものであって、磁界、電界、あるいは磁界と電界で構成される４極以上の偏向装置である。

対物レンズ７は、結像系を構成するものであって、１次電子１を細く絞ってサンプル８に照射し、放出された２次電子を第２偏向装置５に入射させるものである。

サンプル８は、細く絞った１次電子１を照射し、２次電子２を放出させて、高分解能の２次電子像を生成する対象のサンプルであって、例えばマスク、ウェハ上のパターンなどである。

次に、図１の構成の動作を説明する。

（１）１次電子１をビームスプリッタ３を構成する第１偏向装置１に入射し、図に示すように進行方向に向かって左方向に、磁界、電界、あるいは磁界と電界の作用により偏向させる。

（２）（１）で偏向されて第２偏向装置５に入射した１次電子１は、該第２偏向装置５により進行方向に向かって右方向に、磁界あるいは磁界と電界の両者の作用により偏向され、結果として、第１偏向装置の偏向方向と第２偏向装置の偏向方向とが逆であって、偏向収差をキャンセルした後、対物レンズ７の軸上にくるようにする。

（３）（２）で対物レンズ７の軸上に偏向された１次電子１は、当該対物レンズ７で細く絞られてサンプル８を照射すると共に、図示外の２段偏向系でＸ，Ｙ方向に走査される。そして、２次電子２をサンプル８から放出する。

（４）（３）で放出された２次電子２は対物レンズ７の軸上を上方向に走行し、第２偏向装置５に入射し、磁界と電界の作用により、１次電子１とは反対の図示の走行方向に偏向される。

（５）（４）で進行方向の右方向に偏向された２次電子は、第３偏向装置６に入射し、図に示すように、進行方向の左方向に偏向され、結果として第２偏向装置の偏向と第３偏向装置の偏向方向が逆方向であって、偏向収差をキャンセルした後、２次電子検出系の軸上を上方向に走行する。

以上のように、１次電子１は第１偏向装置４と第２偏向装置５、２次電子は第２偏向装置５と第３偏向装置６とによって偏向収差をそれぞれキャンセルするので、偏向収差を低減してより細く絞った１次電子をサンプル８に照射することで高分解能の２次電子画像を生成することを実現し、かつ放出された２次電子も、第２偏向装置５と第３偏向装置６とによって偏向収差をそれぞれキャンセルするので、偏向収差を低減して２次電子を１次電子から分離し、かつ高感度、高分解能で２次電子を検出することが可能となった。以下順次詳細に説明する。

次に、図１の構成の動作説明する。

（１）第１偏向装置４を通過した１次電子１は内側に偏向される。１次電子１は１エレクトロンボルト程度の電子エネルギー分散があるので、偏向量はエネルギー依存性があり、１次電子のビームが虹のように分散し空間的に膨らむ。

（２）第２偏向装置５では第１の偏向装置とは全く同じ量逆方向に１次電子１を偏向する。全く同じ量だけ逆方向に偏向するため虹のように分散した１次電子軌道は再び１つの軌道に収束する。

以上のようにお互いに全く逆方向に偏向する必要があるため全く同じ特性を有する偏向装置（磁界、電界、磁界と電界）を用いてお互いに逆方向に偏向すると最も良い結果が得られる。第１偏向装置４で分散した１次電子は第２偏向装置５を通過するとともに逆分散作用によりもとの分散の無い１次電子のビーム状態に戻る。このとき、第１偏向装置４と第２偏向装置５の作用により１次電子は最初の軸から所定距離だけ内側にシフトした状態になる。この状態で対物レンズ７に入射し対物レンズ７で絞られてサンプル８の表面に照射される。これにより、１次電子１の分散が小さくなり対物レンズ７における収差が小さくできるので１次電子を小さなスポットに絞ることが出来る。

偏向装置は一種の演算装置と考えることが出来る。１回目に加えた演算（F（ｘ））と全く逆の演算F-1(x)を行うことにより電子ビーム偏向に伴なって発生する色々な収差をキャンセルする原理である。ただしこの演算には不思議な性質があり、逆演算を行うと電子ビームは元の軌道に戻らずに座標系の水平シフトが起こるために、電子ビームの走行を変化させることが出来る。これは、最初の演算から時間が経ってから逆演算を行うことによる。この原理からは、第１の偏向装置と第２あるいは第３の偏向装置の特性が全く同じで作用が逆であることが望ましい。

（３）サンプル８の表面では照射された１次電子１に刺激されて２次電子２が発生しサンプル８と対物レンズ７の間に印可された図示外の電圧（リターディング電圧）によって加速され２次電子２となって対物レンズ７に向かって進行する。対物レンズ７を通過した２次電子は第２偏向装置６によって１次電子１とは逆方向に偏向される。

（４）偏向された２次電子２はエネルギーに依存した偏向が行われて分散が起こるが、第３偏向装置６によって逆方向に偏向することで逆分散が起こり、元の分散の無い２次電子２に戻る。

以上のように、本発明の第１偏向装置４、第２偏向装置５、第３偏向装置６からなるビームスプリッタ３をを利用すると１次電子１あるいは２次電子２にエネルギー分散があっても偏向時に新たに色収差を加えることなく、１次電子と２次電子を分離することが可能となる。これにより写像２次電子の像分解能が格段に向上する。

これにより、本発明では、電磁偏向が９０度以上に偏向が可能なので１次電子が来る方向とほぼ同じ逆の方向に２次電子を送り返すことが出来るため、従来の装置のように１次電子用のコラムと２次電子用のコラムが左右に開いた大きな装置にすることなく、同じ方向を向いたように設置可能で電子ビーム装置全体をコンパクトにすることが出来る。このように本発明は並立したコラム、かつコンパクトなので、２つのコラムを１つのコラムのように実装することも出来る。

図２は、本発明の１実施例構成図を示す。これは、図１の原理構成を実際の装置に組み込んだ模式図を示す。ここで、１次電子１、２次電子２、第１偏向装置４、第２偏向装置５、第３偏向装置６、対物レンズ７、サンプル８は図１の同一番号と同じであるので説明を省略する。

図２において、絞り９は、第１偏向装置４で偏向された１次電子１を通過させる開口と、第２偏向装置５で偏向された２次電子２を通過させる開口とを模式的に示したものである。

スペーサ５−１は、第２偏向装置５を対物レンズ７に固定するスペーサである。

コイル７−１は、対物レンズ７を励磁する電流を流すコイルである。

Ｖ１，Ｖ２は、サンプル８との間に印加する電圧であって、リターディング電圧であり、１次電子１の電位を低くして低加速電圧の１次電子をサンプル８に照射すると共に、サンプル８から放出された２次電子２を加速して上方向に走行させるものである。

次に、図２の構成の動作を説明する。

（１）電子銃で発生した１次電子１は第１偏向装置４にて内側に偏向される。ついで第２偏向装置５で逆方向に曲げられ電子銃から放出された１次電子の軌道と平行に成るように調整される。この状態で図示外のアライメントレンズあるいはメカニカルなアライメント機構などを用いて対物レンズ７の中心（軸）に入射するように調整する。対物レンズ７は純鉄、パーマロイやバーメンジュール等高透磁率材料から出来たポールピースを所望の漏れ磁場が生じるように適切な形に成形した部材にポリウレタン等の被覆を行った銅線などを巻き付けてコイルを形成したものである。漏れ磁場の発生するポールピース先端部の切れ目の場所が最大の磁場密度を示す場所であり電磁レンズとして機能する。もちろん対物レンズ７は小型化や省エネルギーのために必要に応じて永久磁石で構成しても良い。電磁レンズの場合は発熱するので冷却水を流すなどして温度を一定に保つ。偏向装置も電磁式の場合には発熱があるので、偏向量を一定に保つために冷却して室温付近の一定の温度に管理することが望ましい。対物レンズ７の上部に電磁コイル７−１からなる電磁偏向装置を設けるが偏向装置の磁場が対物レンズ７に漏れないようにシールド効果を持たせるために装置間には隙間を設けることが望ましい。

（２）電磁偏向を受けた１次電子が対物レンズ７の中心（軸）を通過できるように電磁偏向装置と対物レンズ７の間にはアライメント用のコイルあるいは電極が存在する。もちろんその制御装置も存在する。対物レンズ７を通過した１次電子は対物レンズ７の磁場によって収束されサンプル８の表面にてｎｍオーダーのスポットを形成する。

（３）１次電子１の照射の刺激によりサンプル８で発生した２次電子２はサンプル８と対物レンズ７との間に加えられた加速電場（リターディング電圧Ｖ１，Ｖ２）の力を受けて垂直方向に上昇し対物レンズ７により一旦収束されたのち発散しながら第２偏向装置５にて１次電子１とは反対方向に偏向される。

（４）偏向された２次電子２は次いで第３偏向装置６により逆方向に偏向されて垂直方向に上昇し、結果として２次電子の方向が右方向へとシフトが実現される。２次電子２は検出器の表面にて結像しサンプル８の表面の２次電子像が得られる。尚、実施例では１次電子と２次電子が平行になるような偏向量の場合を示したが、ビームのシフト量は任意であり装置の構成方法によって最適化することが出来る。

図３は、本発明の詳細説明図（電子源）を示す。

図３の（ａ）は通常のＴＦＥ例を示す。

図３の（ａ）において、エミッター３１は、電子を放出するものである。エミッター３１としては、タングステン、モリブデン、ＬａＢ６のような低仕事関数の材料、金属酸化物等を用いたサーマルエミッターやＷチップにＺｒＯ拡散を用いて仕事関数を下げた熱電場型エミッタ（ＴＦＥ）あるいは室温近傍でエミッタ先端を尖らして高い電場を印加することで電子ビームを得るコールドフィールドエミッターあるいは最近ではＭＥＭＳ（半導体微細加工技術）を用いたコールドフィールドエミッターあるいはアレイ、コヒーレントあるいはパルスレーザー等光で電子を励起するフォトカソードなどがある。

エクストラクター３２は、エミッタ３１と該エクストラクタ３２との間に電圧を印加し、印加電圧で発生する強力な電場によって電子ビームを引き出すものである。

加速電極３３は、エクストラクタ３２で引き出された１次電子を、所望加速電圧に印加する電圧を印加するものである。

レンズ３４は、加速電極３３で加速された１次電子を収束するものである。

対物アパチャー３５は、該対物レンズアパチャー３５を通過した１次電子のみを図示外の対物レンズ８に入射し、細く絞ってサンプル８の上に照射させるものである。

次に、図３の（ａ）の構成を説明する。

（１）図３の（ａ）はエミッター３１から１つの１次電子のビームを放射させ、１つの穴を有する対物アパチャー３５で１つの１次電子のビームを、図示外の対物レンズ７で細く絞ってサンプル８の上に照射するものである。

図３の（ｂ）は、マルチビーム例を示す。この図３の（ｂ）中のエミッター３１、エクストラクタ３２、加速電極３３、レンズ３４は、図３の（ａ）と同一であるので説明を省略する。

図３の（ｂ）において、対物アパチャー３５は、複数の穴を有する対物アパチャーであって、該穴に対応した複数の１次電子のビームを形成するものである。穴の直径は数ミクロンから数十ミクロン程度である。

次に、図３の（ｂ）の構成を説明する。

（１）図３の（ｂ）はエミッター３１が１つの１次電子のビームを放射させ、複数の穴を有する対物アパチャー３５で複数の１次電子のビームを形成し、図示外の対物レンズ７で細く絞ってサンプル８の上にそれぞれ照射する。

図３の（ｃ）は、マルチエミッター例を示す。

図３の（ｃ）において、エミッター３１−１は、複数のエミッタを有するものである。

エクストラクタ３２−１は、エミッタ３１−１に対応した数のエクストラクタを有するものである。

加速電極３３−３は、エミッタ３１−１に対応した数の加速電極を有するものである。

レンズ３４−１は、エミッタ３１−１に対応した数のレンズ（収束レンズ）を有するものある。

対物アパチャー３５−１は、エミッタ３１−１に対応した数の穴を有するものである。

次に、図３の（ｃ）の構成を説明する。

（１）図３の（ｃ）は複数のエミッター３１−１が複数の１次電子のビームを放射させ、複数の穴を有する対物アパチャー３５で複数の１次電子のビームを形成し、図示外の対物レンズ７で細く絞ってサンプル８の上にそれぞれ照射する。これにより、複数のエミッタから放出された複数の１次電子のビームが細く絞られてサンプル８の上にそれぞれ照射されることとなる。

（２）そのため、図３の（ｃ）では、半導体微細製造技術（ＭＥＭＳ技術）を用いて作られた小さなマルチビーム電子銃用のエミッタのアレイを利用する。コールドフィールドエミッターはエミッタとエクストラクタ間に生じる高い電場を利用してトンネル効果を生じさせ常温で電子を放出させるものである。コールドフィールドエミッターを利用する場合はエミッタ電流を安定化するために超高真空あるいは極高真空を用いることが望ましい。エミッターアレイサイズは自由に変えることが出来る。用途に応じて数平方ｍｍ以下から数平方メートル以上と自由に作れる。シリコンやプラスチック等の曲面上に作ることも出来る。従って、検査速度を決定する総電流量はマイクロアンペアーからアンペアオーダーまで自由に作ることが出来る。

（３）ＭＥＭＳ技術を用いれば先端曲率半径が数１０ｎｍのエミッターレイを容易に作成可能である。エミッターはシリコン、Ｗ、Ｍｏ、ＣＮＴ、ダイヤモンドなど現在知られている材料を使用することが出来る。

エミッター先端とエクストラクターの距離をミクロンオーダーにすることで高々１０ボルト程度の非常に低い電圧印可、しかも常温で電子ビームを放出させることが出来る。原理的には従来のコールドフィールドエミッターと同じなので放出された電子ビームのエネルギー幅は０．３エレクトロンボルトと狭くビームを細く絞るのに都合が良い。半導体技術で作られるのでそれぞれのエミッターの特性が非常に良く揃っている。ビームの幅は放出される面積により数ミクロンから数ｍｍまでかなり広い範囲を取ることが出来る。

（４）また、ビーム１本あたり１マイクロアンペアー以下の低い放出電流で運用した場合１年を超える寿命が容易に得られる。各電子ビームは独立した点光源として機能するので、お互いに干渉することなく非常に均一な電流値を持つマルチビームが得られる。電流値は１つの電子源を分割して得た場合とは大きく異なり１つのビーム当たり１ナノアンペアーを容易に超えることが可能でビーム本数を増加することで総電流量を際限なく増加出来る。例えば１万本のビームを使えば総電流は１０μAにもなり、従来では考えられない非常に高速な電子ビーム検査装置を作ることが出来る。

（５）エクストラクターやアノード、電子ビームを平行化するためのレンズは静電レンズなどをＭＥＭＳ技術で電子銃内に作り込むことも出来る。

図４は、本発明の詳細説明図（２次電子検出装置）を示す。

図４の（ａ）は、１つの２次電子検出装置の場合を示す。この図４の（ａ）は、サンプル８の表面で発生した２次電子を加速してエネルギーが一定のビーム状にした後にレンズを用いて１点に集中させ、その場所に電子検出装置を配置した例を示す。

次に、特徴を説明する。

（１）この図４の（ａ）は、元の電子ビームの断面積よりもずっと小さな面積を有する検出器が利用可能なため、検出器の電気容量を小さく保つことが可能で超高速の検出が出来る。入射してくるエネルギーによって検出効率が変化するので、変化を避ける場合は、２次電子発生時に十分に加速を行い、２次電子エネルギー分布が感度に効かないようにすると良い。

（２）また、２次電子のエネルギーの違いによって焦点位置が変化することを利用して焦点位置とは異なる位置に電子検出装置を複数置くことにより、エネルギーを分離して検出することも出来る。これは、元素分析などに２次電子を使用する場合に相当する。エネルギーに対応して色を付けて表示すれば、サンプル８の表面の元素分布をカラー画像の色の変化として得ることが出来る。この場合は、検出する２次電子を検出器の直前で加速して電子検出器の感度を高くする。電子検出装置としてはフォトダイオードやアバランシェダイオード、MCP、フォトマル等が利用できる。

図４の（ｂ）は、複数の２次電子検出素子を有する２次電子検出装置の場合を示す。この図４の（ｂ）は、マルチ電子ビーム検出に対応したものである。

（１）マルチ電子ビームをサンプル８に照射することでサンプル８の表面から２次元的に同時発生した２次電子群はサンプル８と対物レンズ７間に加えられた電圧により加速されたのちレンズで収束されて図示のように２次元の２次電子像を形成する。これは明視野の光学顕微鏡と同じ原理である。従って原理的な分解能は利用している２次電子のビームの波長と開口率ＮＡで凡そ決定される。

（２）焦点面にはサンプル８の表面の２次元の２次電子像が拡大して再現されるため平面上に並べられた複数の２次電子検出装置によってこの像の輝度あるいはコントラスト情報が検出される。２次電子検出装置としては２次電子が直接入射可能なように半導体表面の保護膜を除去加工されたフォトダイオードやアバランシェダイオード、ＭＣＰ、ＭＰＰＣ、フォトマル、超高速のＣＣＤ,ＣＭＯＳ、ＴＤＩ撮像素子等が利用できる。２次元撮像素子を利用した場合、画像取得速度を１つのデバイス当たりＧピクセル毎秒よりも高くすることが出来る。最先端のデバイスで１０Ｇピクセル毎秒を達成できる。取得された信号は直ちにデジタル信号に変換され画像処理用のコンピュータに送られる。通信手段は金属ワイヤをはじめ高速通信用の光ファイバーケーブルを利用出来る。ＡＤ変換装置により電子検出器で発生した電気信号はアナログ信号からデジタル信号に変換され、ＤＲＡＭ，ＳＲＡＭ、フラッシュメモリーあるいはＨＤＤなどのメモリーに蓄積される。ＣＰＵ，ＡＳＩＣ，ＦＰＧＡ、ＧＰＵ等高速演算装置によりフィルター等画像処理が施されサンプル表面の情報がディスプレイ上に再現される。得られた画像は必要に応じて合成されて必要な大きさ、解像度の画像となる。得られた画像とCAD設計データあるいは近接する同じ形状を持つとされる画像を基準画像として比較して差異を検出することで高速検査を行うことが出来る。

（３）通常のＣＤＳＥＭと同じように得られた画像の各箇所の長さを測定することでＣＤ測定を行うことが出来る。大画面高精細画像を高速に取り込むことが可能なので、取り込んだ画像の輪郭を抽出しフォトマスクの光学シミュレーションに利用することも出来る。

図４の（ｃ）は、２次元撮像素子からなる２次電子検出装置の場合を示す。この図４の（ｃ）はマルチ電子ビーム検出などに対応したものである。

（１）この図４の（ｃ）は一般の高速光検出素子を利用可能にしたもので、２次電子のビームをレンズで収束させて加速しシンチレータの表面に衝突させて電子を光に変換する。光に変換した２次電子像をフォトダイオードやアバランシェダイオード、ＭＣＰ、ＭＰＰＣ、フォトマル、ＣＣＤ、ＣもＳ、ＴＤＩ撮像素子等を利用して検出する。シンチレータには応答速度がｎｓオーダーと高速な半導体シンチレータであるGaN系や無機材料あるいは有機材料、プラスチック系を用いると好適である。尚、シンチレータに大量の電子ビームが照射されると帯電してしまうため、帯電防止のために表面にｎｍオーダーのアルミなどの金属膜を蒸着してアースして用いる。シンチレータの発光波長と光検出器が最大感度を持つ波長を合わせると良い。

（２）２次元撮像素子のように画像蓄積を行って電子検出を行う場合は１００ｎｓ程度の少しゆっくりした応答速度を持つシンチレータが使いやすい場合がある。

図５は、本発明の装置例を示す。この図５はビームスプリッターを利用した電子ビーム式検査装置の外観を示す。

図５において、電子銃４１は、１次電子を放出するものである。

ブランキング装置４２は、電子銃４１から放出された１次電子を、高速に遮断するものである。

ブランキングアパチャー４３は、ブランキング装置４２で偏向された１次電子を遮断するアパチャーである。

対物アパチャー４４は、１次電子の中心の部分を通過させ、対物レンズ４８によって細く絞ってサンプルに照射するためのアパチャーである。

第１偏向装置４５は、既述した第１偏向装置４である。

第２偏向装置４６は、既述した第２偏向装置５である。

第３偏向装置４７は、既述した第３偏向装置６である。

対物レンズ４８は、１次電子を細く絞ってサンプルに照射するものである。

ミラー４９は、レーザー光線を反射するミラーであって、ＸＹＺステージ５１の位置を精密に測定するためのものである。

偏向装置５０は、細く絞った１次電子のビームをサンプル上に平面走査するものである。

ＸＹＺステージ５１は、サンプル（マスク、ウェハーなど）を裁置し、精密じＸ、Ｙ、Ｚの方向に移動させるものである。

真空チャンバー５２は、ＸＹＺステージ５１などを真空中に収納する容器である。

真空ポンプ５３は、真空チャンバー５２の内部を真空に排気するポンプである。

電子検出装置５４は、２次電子を検出する装置である。

次に、構成を説明する。

（１）真空チャンバー５２はドライポンプあるいはTMP等により通常マイナス４から５乗パスカル程度の高真空に維持されている。電子銃４１は超高真空あるいは極高真空に保たれている。電子銃４１で発生した１次電子は必要なエネルギーに成るように加速されレンズで並行ビームに成形される。成型された電子ビームはブランキング装置４２およびブランキングアパチャー４３を通過する。ブランキング装置４２およびブランキングアパチャー４３は１次電子のビームを高速にオンオフする機能を有しており、サンプルに１次電子のビームを照射するか否かを決定する。

（２）１次電子のビーム源がマルチ電子ビームの場合は個別のビームをＯＮ／ＯＦＦする機能をブランキングアパチャー４３のアレイに持たせることも出来る。１次電子のビームの全体をＯＮ／ＯＦＦするブランキングアパチャー４３を別途有することも出来る。ブランキングアパチャー４３を通過した１次電子のビームは照射電子ビームのサイズや形状を決定する対物アパチャー４４に照射される。対物アパチャー４４は数ミクロンから数百ミクロンの穴の大きさおよび間隔を有した主に厚み数十ミクロン程度の金属薄膜である。アパチャー材質はモリブデンやタングステンなどの高融点金属が利用される。これらアパチャーに正確に１次電子のビームを通過させるために電磁式あるいはメカニカル方式のビームアライメント手段が付属している。

（３）対物アパチャー４４を通過した１次電子のビームは本発明のビームスプリッター（第１偏向装置、第２偏向装置、第３偏向装置）によりビームシフトを行った後、対物レンズ４８に入射される。対物レンズ４８の中心に正確に入射するために電磁式あるいは機械式アライメント機構をもつことが望ましい。ビームスプリッターに入射する電子ビームは不要な収差が発生しないように電子ビームの断面が小さくなるように収束してあることが望ましい。対物レンズ４８には収差を小さくするため垂直に入射することが望ましい。対物レンズ４８を通過する前あるいは通過後に１次電子のビーム走査用の偏向装置５０にて１次電子のビームは偏向される。対物レンズ４８の中心を通して収差を小さくするために２段偏向や対物レンズ４８の直下で偏向が行われる。この１次電子のビーム偏向はサンプルの表面にて１次電子のビームを２次元的に走査するために行われる。一般に走査幅はサンプル上にて数ミクロンから数１００ミクロン程度である。

（４）一般のＳＥＭあるいは電子ビーム検査装置で知られているように、１次電子のビーム走査はコンピュータからの指令によりピクセルクロック等、画像形成信号に同期してＤＡコンバーターから送付される階段状電圧波形に基づいて行われる。例えば１６ビットのＤＡコンバーターを用いて走査信号を作った場合、６４Ｋピクセル程度のＸ軸あるいはＹ軸に沿った走査を行うことが出来る。ＤＡコンバーターに出力にするＸ軸とＹ軸の走査信号を適切に合成することで任意の方向に走査することも出来る。

（５）対物レンズ４８の収差を小さくするため対物レンズ４８の軸中心を通過するように１次電子のビーム軸を対物レンズ４８の入射直前に２段偏向して１次電子のビーム走査を行うことが望ましい。１次電子のビームを大きく走査するとリニアリティーが劣化し走査歪が生じやすい。対物レンズ４８の下に走査用の偏向電極を置いて走査すると歪を小さくできる。ただし焦点深度に影響するほど大きく走査すると像がぼけてしまうので、その場合は対物レンズ４８の焦点を走査信号に同期して変化させることでぼけを補正する（ダイナミックフォーカス）。

（６）走査に伴ってサンプル表面で発生する２次電子等の信号電子はサンプルと対物レンズ４８の間に加えられたバイアス電圧（リターディング電圧９）により加速されて垂直に登っていき、対物レンズ４８に入射する。対物レンズ４８で発生する収差を小さくするために、１５ＫＶ程度の出来るだけ大きな加速を行うことが望ましい。一般的には安全のために、対物レンズ４８はグランド電位にしてサンプルの電位をマイナスにすることが多い。例えばサンプルへの照射エネルギーを１ＫＶにするときは、サンプルの電位をマイナス１４ＫＶに設定する。

（７）対物レンズ４８を通過した２次電子のビームは１次電子とは逆方向に進むのでビームスプリッター（第２偏向装置４６）の磁界の作用により１次電子のビームとは逆方向に曲げられ１次電子の軌道から２次電子のビームが分離される。

（８）分離された２次電子のビームは１次電子を画像形成のために走査する影響を受けているので、２次電子信号も走査されている。そのままでは電子検出素子上で焦点位置が上下左右に移動してしまい安定した像検出が出来ない。そこで、焦点位置が電子検出素子座標上で一定の位置に停止できるように１次電子ビーム走査に同期して２次電子ビームを再度逆方向に走査を行い、常に電子検出装置上に形成される２次電子像が移動しないように制御する。検出素子のサイズがビームの走査によって変動する２次電子着地点範囲よりも大きい場合は、２次電子ビームの逆走査をしなくても正しい画像検出を行うことが出来る。

図６は、本発明の装置例（その２）を示す。この図６は、図５に加えて対物レンズ中心よりもサンプルに近い側に電子透過可能な薄膜５５を設けたことに特徴がある。この薄膜５５は数ｎｍから数十ｎｍオーダーの薄いシリコンあるいはその化合物、金属膜あるいはグラフェン膜等の数原子層の炭素膜で出来ている。数百エレクトロンボルト以上に加速された電子ビームはこれらの膜をほとんど散乱することなく通過することが出来る。一方、これら薄膜は１０パスカル程度の低真空領域と１０のマイナス３乗以上の高真空領域を機械的に分離する役割を有している。同時にこれらの薄膜は導電性を有しバイアス電圧を印加することが出来る。

電子銃４１で発生した１次電子のビームは例えば１５ＫＶ程度のエネルギーを有する。偏向器にて１次電子のビーム位置をシフトした後、対物レンズ４８に入射される。対物レンズ４８に入射した１次電子のビームは対物レンズ４８の収束作用によって細い１次電子のビームに絞られ薄膜５５を透過してサンプル表面に照射される。照射された１次電子のビームによりサンプル表面では２次電子が発生する。

発生した２次電子はエネルギーが小さいのでそのままでは薄膜（隔膜）５５を通過することが出来ない。そこでサンプルと薄膜５５の間にバイアス電圧を印加して２次電子のビームを加速し隔膜５５を透過させる。真空チャンバー５２は１０パスカル程度の低真空状態にあるため、余り高いバイアスを印加すると放電が生じる。そこで、放電が生じなくてかつ薄膜５５を十分に透過できる程度のエネルギーを電子に与えられるように数百ボルトの電圧を印加する。このようにすると２次電子は十分にエネルギーを持ち薄膜５５を透過して高真空領域に入る。高真空領域に入った２次電子は、放電の心配が無いので薄膜５５と対物レンズ４８の間でさらに加速されて対物レンズ４８に入射し逆収束され電子検出装置５４の表面にサンプル表面の像を形成する。

以上の構成を採用することで高エネルギーの１次電子のビームを用いながらも、低真空状態にサンプルを保持することが可能で帯電防止が実現できる。帯電防止が出来ると発生する２次電子のエネルギー分布を小さくできる。同時に発生した２次電子のビームの色収差が大きくならないように対物レンズ４８を通過させて検出できるようになる。

図７は、本発明の装置例（その３）を示す。この図７は、収差補正装置５８を設けた例を示す。一般的には多段多極子を用いて対物レンズ４８等の持つ球面収差および色収差等を補正できる装置である。軸対称電磁レンズは古くからプラスの収差しか作り出すことが出来ないという定理があるため、収差を補正することは不可能と言われてきた。しかしながら２０世紀終盤になってローズやハイダーらは６極子あるいは８極子などの多極子レンズとトランスファーレンズを組み合わせて非対称場を作ることで、負の収差を作り出し元の正の収差との合成において収差を０にできる装置を開発した。さらなる多極子化および多段にすることでさらに高次の収差を補正できるようになる。球面収差や色収差が０に出来れば、従来は対物レンズの収差の影響を小さくするために行われていた１次電子ビームのエネルギーを１０ＫＶ以上に上げる必要が無くなる。

この図７の例では収差補正装置５８を１次電子側のコラム、２次電子側のコラムにそれぞれ実装していることに特徴がある。収差補正装置５８は多極子の組み合わせを行うことで球面収差や色収差の補正を行うことが出来る素子である。この装置５８の利点は１次電子のエネルギーを１５ＫＶのように高くしなくても収差補正装置５８を用いることで対物レンズ４８や収束レンズの収差を補正して１次電子を小さなスポットサイズに絞ることが出来るようになることである。

図６では１次電子のビームのエネルギーを高くすることにより１次電子の持つエネルギー分散の影響が誤差程度となるようにして色収差発生を避けてきた。しかしながら、１次電子ビームを高いエネルギーにすると電子ビームコラムに高い耐電圧が必要で装置が大型に成るだけでなく、１次電子のビームが照射されたアパチャーなどの場所からＸ線などの不要あるいは有害な電磁波が放射されサンプルが感光するあるいは人体にも悪影響を及ぼし良くない。さらに２次電子の収差を小さくするためにも基板にバイアスを印加して加速する必要があり、サンプルと対物レンズ４８の間の狭くて非常に放電しやすい場所に高電圧を印加する必要がある。高耐圧を得るために対物レンズ４８とサンプルの距離を離してしまうとＮＡが小さくなって分解能が低下しビームスポットが大きくなってしまうという弊害がある。

真空耐圧設計は凡そ１ｍｍの間隔当たり数キロボルトと言われているため、１５ＫＶの耐圧を得るためにはサンプル表面と対物レンズ４８の先端を５ｍｍ以上も離す必要があり分解能の劣化は避けられない。ましてや非導電性サンプル表面の帯電を防止するために使用される低真空技術などは数百ボルトのバイアス電圧印加で簡単に放電してしまい取り入れることが出来ない。

本実施例の図７のように、収差補正装置５８を用いると、１次電子のビームに対する対物レンズ４８によってもたらされる収差および２次電子のビームに対する対物レンズ４８の収差が０に補正されるため、５ＫＶ以下の低エネルギーを使用しながらも非常に収差の小さなシステムを作ることが出来る。その結果、高エネルギーを使用した場合と同様の小ささの１次電子のビームスポットをサンプル表面に作ることが出来る。同様に２次電子に関しても高い分解能を維持して電子検出装置５４に入力することが出来る。

１次電子のビームあるいは２次電子のビームに対して放電の原因となる数百ボルトを超える大きなサンプルバイアス（リターディング電圧）を印加しないので、帯電防止に効果のある低真空モード測定を行うことが出来る。高真空モード測定時の真空チャンバーは通常マイナス４から５乗パスカルに維持されているが、低真空測定を行う場合にはマスフローコントローラ等を利用してチャンバー外部からクリーンな酸素や窒素あるいは空気あるいは不活性ガスを導入して１から１００パスカル程度に真空度を維持することが出来る。このように低真空状態にするとサンプル表面の帯電は１次電子のビーム照射に伴って発生するプラスマイナスイオンの作用により中和され、正常な測定状態を保つことが出来る。この効果により、サンプル表面の電位をパターンに無関係に非常に安定に保ちながら高速シングルビームあるいは超高速マルチビーム検査を実行することが出来る。

図８は、本発明のビームスプリッタ例を示す。この図８は、既述した図１、図２などのビームスプリッタ３を構成する第１偏向装置４、第２偏向装置５、第３偏向装置６の例をそれぞれ示す。

図８の（ａ）は、平行平板の例を示す。並行平板型は２極からなる電界発生のための電極とその電界に直交した磁界を発生させるためのポールピースからなる。

ビームスプリッターで用いる電界発生用の電極は通常は金属であるが、比透磁率が１に近い材料例えば透明電極ＩＴＯやアルミニウム、銅、銀、などを使用すると同時印加する磁場との干渉が小さくなり、電界と磁界がお互いに直交して均一に広がる領域を広い範囲で実現することが出来るようになる。これにより写像型検査装置の様に１００ミクロンを超える太いビームを用いる場合にも、均一に磁界や電界を印加することが可能となり、良好な偏向特性を得ることが出来るようになる。磁界を加えるためのポールピースは大きな透磁率を有するパーマロイ等の金属で作製する。

図８の（ａ）において、ポールピース６１は、磁界印加用ポールピースと電界印加用の電極との両方を兼ねた図が記してあるが、前述した電極材料を用いた電界印加用の電極（２極）とは別に電界に直交するように磁界印加用のポールピース（２極）を設けると広い範囲で均一な直交電界磁場が得られる。磁場は透磁率１で出来た材料の電極を通過して作用できるので、電界発生用の電極の裏に磁界発生用のポールピースを配置することも出来る。図示の電極兼ポールピース６１は、軸対称に４極を通常配置する。更に６極、８極、１０極、１２極、１６極・・・などの多極子にしてもよい。

コイル６２は、電流を流して磁界を発生させ、各ポールピース（磁極）に印加するものである。４極であれば、各ポールピース（磁極）毎に各１つのコイル６２を設ける。

ヨーク６３は、コイル６２で発生した磁界が外部に漏れないように短絡するためのヨークである。

以上の構成を有する軸対称の４極、６極、８極、１２極などの多極子偏向装置を形成し、電界、磁界、あるいは電界と磁界の両者を軸上に発生させ、１次電子あるいは２次電子を偏向させることが可能となる。第１偏向装置４、第３偏向装置６は、電界、磁界のみで偏向、あるいは電界と磁界の両者で偏向させてもよい。第２偏向装置５は、少なくとも磁界あるいは電界と磁界とで偏向させ、１次電子の走行方向に対する２次電子の逆の走行方向の場合に逆方向に偏向し、両者を分離するように磁界と電界による偏向の度合いを調整する必要がある。

図８の（ｂ）は、パターンヨーク型の例を示す。この図８の（ｂ）のパターンヨーク型は、図６の（ａ）の電極兼ポールピース６１に相当する部分のみを示す。

図６の（ｂ）において、切込み７１は、円筒に入れた切り込みであって、図示のような円筒状極素材７４を形成するためのものである。

タップ７２は、回転場偏向器固定用のタップである。

タップ７３は、治具取付用のタップである。

円筒状極素材７４は、円筒を図示の切込み７１で分離した円筒状の極素材（図６の（ａ）の電極兼ポールピース６１に対応するもの）である。

以上のように、円筒を１次電子（あるいは２次電子）の回転方向に合わせて切込み７１を入れて作成した円筒状極素材７４を作成し、これを図６の（ａ）の電極兼ポールピース６１にすることにより、１次電子（あるいは２次電子）が走行するに従い回転する度合いに合わせて電極、磁極を回転させることが可能となり、収差を低減することが可能となる。

図８の（ｃ）は、ウィーンフィルターの例を示す。この公知の図８の（ｃ）のウィンフィルタ（８極）は、図示のように、ｎ＝１，２，３，４，５，６，７，８の極からなり、内側に電極と磁極を兼ねた極（８極）が軸対称に配置され、その外側に磁界を発生させるコイルが８組、それぞれ設けられている。最外側は磁界を短絡する円筒状のヨークである。

以上の構成のもとで、８極に電界、磁界、あるいは電界と磁界の両者を印加することにより、１次電子、２次電子を偏向したり、１次電子と２次電子とを逆方向に偏向して両者を分離したり、することが可能となる。

図９は、本発明のビームスプリッター例（パターンヨーク型）を示す。この図９は、既述した図８の（ｂ）の円筒状極素材７４を、図９のポールピース兼電極６５とした例を示し、パターンヨークの上面図を示す。

図９において、ポールピース兼電極６５は、既述した図８の（ｂ）の円筒状極素材７４に対応するものであって、磁極と電極の両方として動作するものである。

コイル６６は、ポールピース兼電極６５に、磁界を印加するものである。

磁気シールド６７は、コイル６１に電流を流して発生した外側（外部）に向かう磁界を短絡する円筒状の磁気シールドである。

以上のように構成することにより、既述した図８の（ｂ）の軸方向に回転する電極と磁極を構成してこれを１次電子あるいは２次電子の走行方向に回転する角度に対応させることにより、１次電子あるいは２次電子に対する偏向の収差を低減することが可能となる。

図１０は、本発明の装置動作ブロック説明図を示す。

図１０の（ａ）は１次電子の動作を示し、図１０の（ｂ）はサンプルから放出された２次電子の動作を示す。

図１０の（ａ）において、Ｓ１は、電子銃が１次電子のビームを放射する。

Ｓ２は、平行ビームにする。これは、Ｓ１で電子銃から放射された１次電子のビームを図示とのコンデンサレンズにより平行ビームにする。

Ｓ３は、第１偏向器で偏向する。これは、既述した図１、図２の第１偏向装置４で図示のように偏向する。

Ｓ４は、第２編子器で偏向する。これは、既述した図１、図２の第２偏向装置５で図示のように偏向する。

Ｓ５は、対物レンズで収束する。これは、既述した図１、図２の対物レンズ７が１次電子のビームを細く絞る。

Ｓ６は、１次電子減速する。これは、既述した図２のＶ１あるいはＶ２のリターディング電圧を印加し、１次電子を減速（加速電圧を減速）する。

Ｓ７は、サンプルに照射する。これは、Ｓ６のリターディング電圧により減速された、細く絞られた１次電子のビームをサンプル８に照射しつつ平面走査する。１次電子をサンプル８に照射すると、２次電子が発生する。

以上によって、既述した図１、図２の構成のもとで電子銃で発生させた１次電子を第１偏向器、第２偏向器で２段偏向して結果として１次電子のビームの走行方向をシフトさせ、細く絞ってサンプル８に照射しつつ平面走査し、２次電子を放出させることが可能となる。

次に、２次電子の動作について図１０の（ｂ）の順番に説明する。

図１０の（ｂ）において、Ｓ１１は、２次電子発生する。これは、図１０の（ａ）のＳ７で１次電子をサンプル８に照射しつつ平面走査したことに対応して。２次電子が放出（発生）される。

Ｓ１２は、２次電子加速する。これは、Ｓ１１で発生した２次電子は、既述した図２のＶ１あるいはＶ２のリターディング電圧により加速される。

Ｓ１３は、対物レンズ通過する。これは、Ｓ１２で加速された２次電子は、既述した図２の対物レンズ７の軸対称の強い磁界の作用により螺旋を描きながら上方向に進行し、該対物レンズ７を通過する。

Ｓ１４は、第２偏向器で偏向する。これは、既述した図１、図２の第２偏向装置５で図示のように偏向し、１次電子と、当該２次電子が分離される。

Ｓ１５は、第３偏向器で偏向する。これは、Ｓ１４で分離された２次電子を逆方向に偏向して偏向収差などをキャンセルする。

Ｓ１６は、写像レンズで像形成する。これは、Ｓ１５の第３偏向器で偏向された後の２次電子について、写像レンズで２次電子の像を電子顕出器の面上に形成（結像）させる。

Ｓ１７は、電子検出器で検出する。Ｓ１６で結像された２次電子を、２次電子検出器で検出する。

Ｓ１８は、信号増幅する。これは、Ｓ１７で検出した２次電子の信号を増幅する。

Ｓ１９は、ＰＣで画像処理する。

以上によって、既述した図１、図２の構成のもとでサンプル８から放出された２次電子を、第２偏向器、第３偏向器で２次電子を１次電子から分離すると共に、２段偏向して結果として２次電子のビームの走行方向をシフトさせ、２次電子のビームを高分解能に結像してサンプル８の表面の高分解能の２次電子画像を検出することが可能となる。

図１１は、本発明の装置調整フローチャートを示す。

図１１の（ａ）は調整フローチャートを示す。

図１１の（ａ）において、Ｓ２１は、初期電界、磁界を印加する。これは、既述した図１、図２の第１偏向装置４、第２偏向装置５、第３偏向装置６について、それぞれ実験で求めた最適な電圧、電流、電圧と電流の値に初期設定する。

Ｓ２２は、電界磁界変更する。これは、Ｓ２１で初期設定した電界、磁界のままでは、図１、図２の第１偏向装置４、第２偏向装置５、第３偏向装置６が十分な動作しない場合、電界（電圧）、磁界（電流）を微細調整し、最適に偏向されて２次電子量が最大となるように調整する。

Ｓ２３は、２次電子量最大が判別する。ＹＥＳの場合には、図１、図２の検出器で検出される２次電子の量が最大で、最適な偏向度合に第１偏向装置４、第２偏向装置５、第３偏向装置６の電界（電圧）、磁界（電流）、電界と電流が調整されたので、終了する。ＮＯの場合には、Ｓ２２を繰り返す。

以上によって、図１、図２の構成にいついて、第１偏向装置４、第２偏向装置５、第３偏向装置６の電界、磁界、電界と磁界を実験で求めた初期値に初期設定し、これから２次電子の量が最大となるように電界、磁界、電界と磁界を調整することにより、第１偏向装置４、第２偏向装置５、第３偏向装置６の調整を行うことが可能となる。

図１１の（ｂ）は、軸調整フローチャート（偏向収差）を示す。

図１１の（ｂ）において、Ｓ３１は、初期電界、磁界を印加する。これは、既述した図１、図２の第１偏向装置４、第２偏向装置５、第３偏向装置６について、それぞれ実験で求めた偏向収差が最小となる電圧、電流、電圧と電流の値に初期設定する。

Ｓ３２は、アライメントパラメータ変更する。これは、Ｓ３１で初期設定した電界、磁界のままでは、図１、図２の第１偏向装置４、第２偏向装置５、第３偏向装置６の偏向収差が大きく、十分な量の２次電子の量が検出できない場合、対向する極の電界、磁界を微細調整などし、電界、磁界の中心軸を調整し、２次電子量が最大となるように調整する。

Ｓ３３は、２次電子量が最大が判別する。ＹＥＳの場合には、図１、図２の検出器で検出される２次電子の量が最大で、第１偏向装置４、第２偏向装置５、第３偏向装置６の電界、磁界の軸中心が最適に調整されたので、終了する。ＮＯの場合には、Ｓ３２を繰り返す。

以上によって、図１、図２の構成のもとで、第１偏向装置４、第２偏向装置５、第３偏向装置６の偏向収差が最小となる実験で求めた初期値に初期設定し、これから２次電子の量が最大となるように電界、磁界の対向する極の強さなどを加減し軸中心を調整することにより、偏向収差を最小に調整することが可能となる。

図１１の（ｃ）は、軸調整フローチャート（回転方向）を示す。

図１１の（ｂ）において、Ｓ４１は、初期電界、磁界を印加する。これは、既述した図１、図２の第１偏向装置４、第２偏向装置５、第３偏向装置６について、それぞれ実験で求めた最適な回転方向となる電圧、電流、電圧と電流の値に初期設定する。

Ｓ４２は、アライメントパラメータ変更する。これは、Ｓ４１で初期設定した電界、磁界のままでは、図１、図２の第１偏向装置４、第２偏向装置５、第３偏向装置６による回転方向がずれ、十分な量の２次電子の量が検出できない場合、対向する極の電界、磁界などを微細調整して電界、磁界による回転方向を調整し、２次電子量が最大となるように調整する。

Ｓ４３は、２次電子量最大が判別する。ＹＥＳの場合には、図１、図２の検出器で検出される２次電子の量が最大で、第１偏向装置４、第２偏向装置５、第３偏向装置６の電界、磁界による回転方向が最適に調整されたので、終了する。ＮＯの場合には、Ｓ４２を繰り返す。

以上によって、図１、図２の構成のもとで、第１偏向装置４、第２偏向装置５、第３偏向装置６の電界、磁界による回転方向を実験で求めた初期値に初期設定し、これから偏向器を通過して検出される２次電子の量が最大となるように電界、磁界の対向する極の強さなどを加減して回転方向を調整することにより、第１偏向装置４、第２偏向装置５、第３偏向装置６の電圧、磁界による回転方向を最適に調整することが可能となる。原理の上では偏向装置を本来の電子ビーム軌道に対してお互いに対称に配置してかつ通過する電子ビームが出来るだけ同じようにかつお互いに逆に成るように調節すると収差を最も小さくすることが出来る。

本発明の原理構成図である。 本発明の１実施例構成図である。 本発明の詳細説明図（電子源）である。 本発明の詳細説明図（２次電子検出装置）である。 本発明の装置例である。 本発明の装置例（その２）である。 本発明の装置例（その３）である。 本発明のビームスプリッタ―例である。 本発明のピームスプリッター例（パターンヨーク型）である。 本発明の装置動作ブロック説明図である。 本発明の措置調整フローチャートである。

１：１次電子
２：２次電子
３：ビームスプリッタ―
４：第１偏向装置
５：第２偏向装置
５−１：スペーサ
６：第３偏向装置
７：対物レンズ
７−１：コイル
８：サンプル
９：絞り
３１、３１−１：エミッター
３２、３２−１：エクストラクタ
３３、３３−１：加速電極
３４、３４−１：レンズ
３５、３５−１：対物アパチャー
４１：電子銃
４２：ブランキング装置
４３：ブランキングアパチャー
４４：対物アパチャー
４５：第１偏向装置
４６：第２偏向装置
４７：第３偏向装置
４８：対物レンズ
４９：ミラー
５０：偏向装置
５１：ＸＹＺステージ
５２：真空チャンバー
５３：真空ポンプ
５４：電子検出装置
５５：隔膜（薄膜）
５６：マスフロー制御装置
５７：ガス
５８：収差補正装置
６１：電極兼ポールピース
６２：コイル
６３：ヨーク
６５：ポールピース兼電極
６６：コイル
６７：磁気シールド
７１：切込み
７２：、７３：タップ
７４：円筒状極素材
Ｖ１、Ｖ２：リターディング電圧

Claims (8)

1. １次電子をサンプルに照射し、該サンプルから放出された２次電子を検出して該サンプルの２次電子画像を生成する走査型電子顕微鏡において、
   １次電子を生成して加速する１次電子照射系と、
   前記１次電子照射系で生成された１次電子を偏向する第１偏向装置と、
   前記第１偏向装置で偏向された１次電子を逆方向に偏向して収差をキャンセルし、結像系の軸に一致させてサンプルに照射させると共に、該サンプルから放出された２次電子を前記１次電子と逆方向に偏向して分離する、少なくとも磁界で構成される第２偏向装置と、
   前記第２偏向装置で偏向されて結像系の軸に一致させた後の前記１次電子を細く絞ってサンプルに照射すると共に、サンプルから放出された２次電子を前記第２偏向装置に入射させる対物レンズからなる結像系と、
   前記第２偏向装置で偏向された後の２次電子を検出する２次電子検出系と
   を備えことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
2. 前記第２偏向装置で偏向して分離された前記２次電子を、該第２偏向装置の偏向方向と逆方向に偏向して収差をキャンセルする第３偏向装置を設け、
   該第３偏向装置で偏向して収差をキャンセルした後の２次電子を検出する２次電子検出系と
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の走査型電子顕微鏡。
3. 前記第１偏向装置および前記第３偏向装置は、磁界あるいは電界あるいは磁界と電界の４極以上を有する偏向装置としたことを特徴とする請求項１から請求項２のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡。
4. 前記第２偏向装置は、磁界と電界の各４極以上を有し、前記１次電子の進行方向と逆方向の前記２次電子を分離することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡。
5. 前記サンプルと対物レンズの先端部分との間にリターディング電圧を印加し、サンプルに低加速電圧の１次電子にして照射したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡。
6. 前記対物レンズの部分に隔膜を設けて、該隔膜を境にサンプル側を低真空、反対側を高真空に保持したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡。
7. １次電子をサンプルに照射し、該サンプルから放出された２次電子を検出して該サンプルの２次電子画像を生成する走査型電子顕微鏡の２次電子検出方法において、
   １次電子を生成して加速する１次電子照射系と、
   前記１次電子照射系で生成された１次電子を偏向する第１偏向装置と、
   前記第１偏向装置で偏向された１次電子を逆方向に偏向して収差をキャンセルし、結像系の軸に一致させてサンプルに照射させると共に、該サンプルから放出された２次電子を前記１次電子と逆方向に偏向して分離する、少なくとも磁界で構成される第２偏向装置と、
   前記第２偏向装置で偏向されて結像系の軸に一致させた後の前記１次電子を細く絞ってサンプルに照射すると共に、サンプルから放出された２次電子を前記第２偏向装置に入射させる対物レンズからなる結像系と、
   前記第２偏向装置で偏向された後の２次電子を検出する２次電子検出系と
   を設け、
   前記第１偏向装置と前記第２偏向装置との偏向収差をキャンセルして低減し、２次電子画像の分解能を向上させたことを特徴とする走査型電子顕微鏡の２次電子検出方法。
8. 前記第２偏向装置と前記第３偏向装置との偏向収差を更にキャンセルして低減し、２次電子画像の分解能を向上させたことを特徴とする請求項７記載の走査型電子顕微鏡の２次電子検出方法。

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