JP5097642B2 - 走査形電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は走査形電子顕微鏡に関し、特に極低照射電圧かつ高分解能観察において信号の弁別機能を有する高効率検出系を有した走査形電子顕微鏡に関する。

走査形電子顕微鏡は電子源から放出された電子を加速し、静電レンズ、あるいは磁界形レンズで収束させ、細い電子ビーム（一次電子線）とし、この細い一次電子線を走査偏向器を用いて観察する試料上を走査し、照射した一次電子線によって試料から二次的に発生する信号を検出し、信号強度を一次電子ビーム走査と同期して記録することにより二次元の走査像を得る装置である。

一次電子線の照射によって試料からは広いエネルギー分布を持つ電子が発生する。試料に入射した一次電子線の一部は試料表面近傍の原子により弾性散乱される。これは反射電子（ＢＳＥ，Back Scattered Electron）と呼ばれ、一次電子線と同じエネルギーを上限とする高いエネルギーを有する。反射電子は試料の組成により強度や散乱方向が変化するため、組成分布の観察に適している。

また、一次電子線の一部は試料内の原子と相互作用し、試料中の電子が運動エネルギーを得て試料から放射される。これは二次電子（ＳＥ，Secondary Electron）と呼ばれ、５０ｅＶ以下、平均的には１０ｅＶ程度までのエネルギーを有する。二次電子は試料深部からの脱出が困難であるため、試料表面の情報を主に持っていると考えられ、表面形状，試料電位分布の観察に適している。

近年、電子線照射による試料へのダメージ低減や最表面情報の取得を目的として、１ｋＶ以下の極低加速電圧での観察が重用されるようになってきている。

しかし、低加速電圧でレンズを通過する場合、電子線エネルギーのばらつきに起因する色収差によって分解能が低下する。従って磁界レンズに加えて一次電子線を減速する電界を重畳して一次電子線を収束する減速法（リターディング法とも称する）を用いることが多い。

減速法は、例えば試料を搭載する試料台に負電圧（リターディング電圧）を印加することにより光軸上に静電レンズを作成し、この静電レンズによって一次電子線を減速することで達成される。

この減速法では、一次電子線の減速に用いる静電レンズによって、試料から放射されるＳＥ，ＢＳＥは逆に加速されるという特徴がある。

試料に負電圧を印加する減速法を用いた極低加速観察において、二次電子と反射電子を分離してＳＥＭ像を得る手法について、特許文献１，特許文献２に開示されている。

特許文献１には、試料と走査装置の間に偏向器を設け、二次電子と反射電子の軌道の分離位置に開口を設けるなどして両者を分離してＳＥＭ像を得る方法が開示されている。

特許文献２には、一次電子線の減速電界で加速された二次電子，反射電子を再度減速した上で、光軸と垂直方向に印加した電磁界で分離検出する方法が開示されている。

特開平１１−６７１３９号公報 ＷＯ９９／４６７９８号公報

上記文献に開示された技術によれば、試料に負電圧を印加する減速法を用いた極低加速観察においてＳＥ／ＢＳＥを弁別して検出することが可能であるが以下のような問題がある。

特許文献１は半導体製造時のプロセス管理に用いる走査形電子顕微鏡を想定しており、コンタクトホールの観察やラインアンドスペースの線幅測長に関するものである。従って、試料からの二次電子，反射電子は半導体加工の形状に制限されるため、光軸方向の一定範囲（実施例では２０度以内の例を図示）で試料から放射されると想定している。したがって、高アスペクト比の半導体の試料観察用途以外に使用する際には二次電子と反射電子の軌道が当該特許に記載されているように分離しないという問題がある。

また、特許文献２においてエネルギー差の少ない信号電子を弁別するためにはメッシュ使用が不可欠で、検出効率を犠牲にせざるを得ないという問題がある。

さらに近年では、減速法を用いた極低加速観察において、一次電子線の減速に用いる静電レンズの強度を強める、即ち試料台に印加する負電圧の大きさを大きくして観察したいというニーズがある。このような場合、光学条件の変更により、二次電子の軌道が変わり、検出器に入射しないという問題がある。上記特許文献１，２でもこの問題を解決できない。

本願発明は、上記問題に鑑み、リターディング電圧を変化させた場合でも、効率よく二次電子を検出することができる走査電子顕微鏡を提供することにある。

上記の課題を達成するために、電子源と、該電子源から発生した一次電子線を試料上に集束する対物レンズと、前記試料を搭載するステージと、一次電子線の照射により試料から発生した二次電子及び反射電子を検出する複数の検出器と、前記ステージに電圧を印加する電源と、を有する走査形電子顕微鏡において、当該電子顕微鏡は、少なくとも２つの変換電極、及び電界及び磁界を発生させる偏向器を備え、前記ステージに印加する負の電圧の大きさを大きくするとともに、前記偏向器が発生する電界の大きさを大きくし、前記試料から発生した二次電子が、前記変換電極のうち、試料側に近い第１の変換電極に設けられた穴を通過し、前記変換電極のうち、電子源側に近い第２の変換電極に衝突するように、前記電界の大きさを制御する走査電子顕微鏡を提供する。

また、電子源と、該電子源から発生した一次電子線を試料上に集束する対物レンズと、前記試料を搭載するステージと、一次電子線の照射により試料から発生した二次電子及び反射電子を検出する複数の検出器と、前記ステージに電圧を印加する電源と、を有する走査形電子顕微鏡において、当該電子顕微鏡は、少なくとも２つの変換電極、及び電界及び磁界を発生させる偏向器を備え、前記変換電極のうち、試料側に近い第１の変換電極に設けられた穴の大きさが、一次電子線の開き角より大きく、前記変換電極のうち、電子源側に近い第２の変換電極に設けられた穴が、前記偏向器により偏向された二次電子の離軸量より小さいことを特徴とする走査電子顕微鏡を提供する。

上記構成によれば、リターディング電圧を変化させた場合でも二次電子を効率よく検出することができる。

また、極低照射電圧かつ高分解能で試料を観察する際、一次電子線の照射によって発生する二次信号のうち、二次電子と反射電子を分離して検出することが可能になる。

図１に本発明の一実施例の概略図を示す。対物レンズ４のレンズギャップが下方に向かって開放されている対物レンズ（セミインレンズ）を採用し、試料に負電圧を印加して対物レンズ−試料間で一次電子線を減速する減速法を併用した走査形電子顕微鏡において本発明の説明をする。

本例ではセミインレンズ型の対物レンズで構成された例を示したが、レンズの形状はセミインレンズ型に限らず発明の効果は同じである。

電子源１より発生した一次電子線２は、二段に配置された偏向器３ａ，３ｂによって走査され、対物レンズ４，減速電圧印加機構５によって試料６上に収束される。対物レンズは接地電位になっているため、一次電子線２は減速電圧印加機構５によって対物レンズと試料の間に発生した電界により減速されるため、試料に照射されるときには対物レンズを通過したときよりも低速になっている。一次電子線２の照射によって試料６からは二次電子２０および反射電子２１が発生する。

反射電子２１は一次電子線が試料に照射される時のエネルギーとほぼ等しい。

本実施例では、照射電圧（Ｖｉ）を１００ｅＶ、減速電圧印加機構５によって試料に印加する電圧（Ｖｒ、以下リターディング電圧と略する）を−１５００Ｖとおいた場合について説明するが、照射電圧，リターディング電圧を変更しても発明の効果は同じである。

反射電子２１は対物レンズと試料の間に発生した電界により加速されるため、対物レンズより上を通過する際は１６００ｅＶのエネルギーを持っていることになる。このとき、反射電子２１の速度は、対物レンズと試料の間に発生した電界での加速によるビーム光軸方向の速度と、試料上で発生した時の速度との加算である。従って、ビーム光軸と垂直方向の速度成分は試料上で発生した時の速度のうちビーム光軸と垂直方向の速度成分を維持しているのみで、その最大値は１００ｅＶ相当の速度である。

一方、そのときのビーム光軸と平行方向の速度成分はリターディング電圧に相当する速度であるので、速度加算による最大の開き角は本例では１００／１５００＝０.０６７ｒａｄ（３.８°程度）となる。反射電子２１は電子源１方向に進行し、下部検出電極７に到達する。

反射電子２１の一部は下部検出電極７に衝突する。反射電子衝突のエネルギーによって、下部検出電極７の表面からは再発生した二次電子２２が放出される。再発生した二次電子２２は磁界偏向コイル１０ａ，１０ｂによってもたらされる磁界、及び静電偏向電極である多孔電極１１ａと対向電極１１ｂによってもたらされる電界が重畳された電磁界により多孔電極１１ａの側に導かれる。多孔電極１１ａの外側に配した二次電子検出器１２は前面に正の高電圧を印加してある。再発生した二次電子２２は二次電子検出器１２前面に印加した電圧に起因する電界によって多孔電極１１ａの穴を通過して加速され、二次電子検出器１２に捕捉される。

このようにして、二次電子検出器１２で反射電子２１に起因する信号を検出する。二次電子検出器１２で検出した信号や図示していないその他の検出器からの信号を信号処理手段１３によって選択したり合成したりした上で表示装置１５に表示する。

磁界偏向コイル１０ａ，１０ｂ，多孔電極１１ａと対向電極１１ｂでは一次電子線２の軌道に影響を与えずに再発生した二次電子２２を検出器方向に導くよう、電界と磁界を直交して印加する（この直交電磁界による偏向器を以下ＥｘＢと略する）。一次電子線２軌道に影響を与えない直交電磁界の印加手法についてはたとえば前記引用文献１に詳細に記載されている。

多孔電極１１ａと対向電極１１ｂとの間に±Ｖｅ（Ｖ）の電位差を与えて電界Ｅｘを発生させると、加速電圧Ｖａｃｃにより速度Ｖｚをもつ電子線１０４は静電気力およびローレンツ力Ｆ１＝−ｅ（Ｅｘ＋Ｖｚ・Ｂｙ）を受ける。Ｆ１＝０を満足するように電圧ＶｅあるいはＢｙ（電界Ｅｘと直交する磁界）を発生するコイル電流量を調節する。

このとき、反射電子２１および二次電子２０は、それぞれ角度
θｂ＝Ｅｘ・Ｌ／Ｖａｃｃ （式１）
および
θｓ＝Ｅｘ・Ｌ（１＋√（Ｖｒ／Ｖａｃｃ））／（２Ｖｒ） （式２）
だけ偏向される。ここで、Ｌは電極長である。

一方、Ｆ１＝０となるように静電気力とローレンツ力をバランスさせて制御するので、一次電子線２は偏向作用を受けずに直進する。すなわち、
Ｆ１＝−ｅ（Ｅｘ＋Ｖｚ・Ｂｙ）＝０ （式３）
を満たして制御すれば、一次電子線に影響を与えずにＥｘＢを動作させることができる。

本実施例における偏向角度を具体的な数値を代入して検討してみる。Ｖｒ＝１５００Ｖ，Ｖａｃｃ＝Ｖｒ＋Ｖｉ＝１６００Ｖ，Ｅｘ＝５００Ｖ／ｍ，Ｌ＝２０mmとおくと、θｂ＝０.０６３ｒａｄ（３.６°程度），θｓ＝０.００６６ｒａｄ（０.３７°程度）である。

二次電子２０のエネルギーは５０ｅＶ以下で平均的には３ｅＶ程度といわれている。散乱強度分布はcosθに比例するとされている。θは試料表面と垂直となる線となす角である。二次電子２０は対物レンズと試料の間に発生した電界により加速される。二次電子２０は対物レンズより上方では１５００ｅＶから１５５０ｅＶ、平均的には１５０３ｅＶ程度のエネルギーである。このときの二次電子２０の開き角は３／１５００＝０.００２ｒａｄ（０.１１°程度）である。開き角０.００２ｒａｄは一次電子線２の開き角と同等以下であり、下部検出電極７の中央部に設けた一次電子線２通過用の穴は二次電子２０の分布径より大きく設計される。従って、二次電子２０は下部検出電極７に衝突することなく、さらに上方に進行する。

この際、ＥｘＢにより二次電子２０は偏向される。偏向角は（式２）で計算でき、本例では０.００６６ｒａｄである。軌道中心がＥｘＢによって０.００６６ｒａｄ偏向された後、二次電子２０は電子源１方向へと導かれる。二次電子２０の大半は上部検出電極８に衝突する。

二次電子２０は一次電子を減速した電界によって加速されており、上部検出電極８に衝突するときは１５０３ｅＶ程度のエネルギーを有している。従って、二次電子２０衝突のエネルギーによって、上部検出電極８の表面からは再発生した二次電子２３が放出される。二次電子検出器１４は前面に正の高電圧を印加してある。再発生した二次電子２３は二次電子検出器１４前面に印加した電圧に起因する電界によって加速され、二次電子検出器１４に捕捉される。このようにして、二次電子検出器１４で二次電子２０に起因する信号を検出する。

本実施例において二次電子２０が上部検出電極８に衝突する割合について、具体的な数値を代入して検討してみる。先に偏向角を算出したときの前提に加えて、試料６から下部検出電極７までの距離を５０mm，下部検出電極７から上部検出電極８までの距離を１００mmとする。また、上部検出電極８の中央にあけた一次電子線２通過用の穴径を直径１mmとする。二次電子２０の中心位置は、偏向角θ_Ｓ＝０.００６６ｒａｄと、ＥｘＢの中心位置から上部検出電極８までの距離との積で与えられる距離だけ一次電子線２の光軸から離れている。すなわち本例においては一次電子線２の光軸から０.７２mm離れている。また、二次電子２０の分布範囲の半径は開き角０.００２ｒａｄと試料６から上部検出電極８までの距離１５０mmの積で計算される。すなわち、二次電子２０は半径０.３mmの範囲内に分布するのみである。

上部検出電極８への二次電子２０の衝突位置と一次電子線２通過用の穴の位置関係を図３に示す。二次電子の大半は、図３の３ｅＶ程度に収まるので、二次電子２０はその大半が上部検出電極８へ衝突しており、電極上で二次電子２３を再発生させ、二次電子２０に起因する信号は二次電子検出器１４で高効率に検出される。このように上部検出電極８の中央部に設けた一次電子線２通過用の穴径を二次電子の離軸量より小さく設計することで高効率な二次電子検出が可能となる。

反射電子２１の一部も上部検出電極８に衝突し、同様に二次電子検出器１４で反射電子２１に起因する信号が検出されるが、その大半は二次電子２０に起因する信号である。その理由として次の２点が挙げられる。

１点目は、二次電子２０の発生量は反射電子２１に比べて多いことである。

２点目は、反射電子２１が上部検出電極８に到達した時点での反射電子２１ビームの径は二次電子２０ビームの径と比べて大きいため、到達前に下部検出電極７や鏡筒の内部構造物（図示せず）と衝突し、上部検出電極８まで届く割合は多くないことである。本例における数値代入では反射電子２１の下部検出電極７上での分布の半径は３.３mm，上部検出電極８上での分布範囲の半径は１０mmとなる。

二次電子検出器１４で検出した信号や図示していないその他の検出器からの信号を信号処理手段１３によって選択したり合成したりした上で表示装置１５に表示する。

すなわち、上下二段に反射電極を設け、試料と上部反射電極との間に偏向器を設けることにより、二次電子と反射電子を弁別検出し、なおかつ高効率な二次電子検出ができる走査形電子顕微鏡を構成できる。

本実施例では反射電極と二次電子検出器の組み合わせで信号電子の情報を検出する例を示したが、この組み合わせに代えて、反射電極位置にシンチレータを設け、シンチレータ内の発光をライトガイドで光電増倍管に導く構成に変更しても同様の効果が期待できる。また、反射電極と二次電子検出器の組み合わせに代えて表面障壁の薄い半導体検出器によって信号電子を直接検出する構成に変更しても同様の効果が期待できる。

また、ＥｘＢ検出器を下部検出電極７上で再発生した二次電子２２の牽引用の偏向器としても用いたが、設置位置は試料６と上部検出電極８の間にあれば本発明を構成可能である。

図４はリターディング電圧に伴ってＥｘＢで発生させる電界を増加させる実施例に関する図である。

図１に示した実施例と同じ配置の電子顕微鏡において、リターディング電圧だけ−２５００Ｖに変更すると、二次電子２０は、一次電子線２の光軸から０.４３mm離れた位置を中心とした半径０.１８mmの範囲内に分布する。これは上部検出電極８の中央にあけた一次電子線２通過用の穴（直径１mm）の中にほとんど位置するため、二次電子２０はほとんど上部検出電極８へ衝突しない。

図４左のカラム上図には、現行の制御方法に関する偏向電界と偏向磁界との関係が示されている。当該図では、リターディング電圧を大きくしたときに、ＥｘＢの偏向電極に印加される電圧を一定に維持した状態にて、偏向コイルによってもたらされる磁場と変化させた状態を示している。このとき、二次電子及び反射電子の変更角度を図４左のカラム下図に示す。この図からわかるように、偏向角度がリターディング電圧の上昇とともに変化している。つまり、二次電子が一次電子線通過用の穴を通過してしまい、上部検出電極に衝突しないこととなる。

すなわち、図１に示した実施例ではリターディング電圧を増大させる場合、二次電子検出効率の維持のために内部構造の寸法を見直す必要がある。本例は内部構造の寸法を見直すことなく、リターディング電圧を増大させても二次電子検出効率を維持するものである。

本例では、リターディング電圧の増大に対し二次電子２０のＥｘＢによる偏向角θｓを維持するようにＥｘＢを制御する。また同時に、一次電子線２の軌道に影響を与えない条件（式３）も満たすようにする制御条件を（式４，５）に示す。

Ｅｘ＝θｓ・Ｖｒ／Ｌ （式４）
Ｂｙ＝Ｅｘ／Ｖｚ （式５）
この制御条件に基づき、図１に示した実施例と同じ配置の電子顕微鏡を制御した場合のＥｘＢの電界強度と磁界強度を図４中央のカラム上図に示す。

本実施例では、図４中央のカラム下図に示されるように、リターディング電圧を増大させても二次電子の偏向角度はほぼ一定であるため、二次電子検出効率を高いまま維持できる。図３ではリターディング電圧に比例して電界強度を制御する例を示したが、本偏向角度を下回らないよう、段階的にＥｘＢの電界強度を制御しても良い。さらに、図１に示した実施例に追記した変更についても同様の効果が期待できる。

図４右のカラム上図は一定以上のリターディング電圧の場合にＥｘＢで発生させる電界を増加させる実施例に関する図である。図４中央のカラム上図に示した実施例では、リターディング電圧が小さい場合、下部検出電極７で再発生した二次電子２２を二次電子検出器１２に導く電界強度が充分でない。従って、リターディング電圧があらかじめ決めた電圧以下の場合はＥｘＢの電界強度を一定に制御し、それ以上の場合は図４中央のカラム上図に示す実施例と同様に制御するものである。この制御条件に基づき、図１に示した実施例と同じ配置の電子顕微鏡を制御した場合のＥｘＢの電界強度と磁界強度を図４右のカラム上図に示す。

本実施例では、図４右のカラム下図に示されるように、電圧を変化させた領域では、リターディング電圧を増大させても二次電子の偏向角度はほぼ一定であるため、二次電子検出効率を高いまま維持できる。またリターディング電圧が低い場合でも、反射電子検出効率が低下しない利点がある。ＥｘＢ電界強度の段階的な制御，検出器の構成など、図１に示した実施例に追記した変更例についても同様の効果が期待できる。

以上のように、本発明の実施例装置によれば、減速法を用いた極低照射電圧条件においても、信号の弁別機能を有する高効率検出系を持った走査形電子顕微鏡が構成できる。

本発明に係る走査形電子顕微鏡の構成例。 ＥｘＢによる二次電子２０の偏向動作を示した図。 二次電子２０の上部検出電極８への衝突範囲を示した図。 リターディング電圧に伴ってＥｘＢで発生させる電界を変化させる実施例。

符号の説明

１ 電子源
２ 一次電子線
３ａ，３ｂ 偏向器
４ 対物レンズ
５ 減速電圧印加機構
６ 試料
７ 下部検出電極
８ 上部検出電極
１０ａ，１０ｂ 磁界偏向コイル
１１ａ 多孔電極
１１ｂ 対向電極
１２，１４ 二次電子検出器
１３ 信号処理手段
１５ 表示装置
２０ 二次電子
２１ 反射電子
２２ 試料からの反射電子起因で再発生した二次電子
２３ 試料からの二次電子起因で再発生した二次電子

Claims (4)

1. 電子源と、
   該電子源から発生した一次電子線を試料上に集束する対物レンズと、
   前記試料を搭載するステージと、
   一次電子線の照射により試料から発生した二次電子及び反射電子を検出する複数の検出器と、
   前記ステージに電圧を印加する電源と、
   を有する走査形電子顕微鏡において、
   当該電子顕微鏡は、少なくとも２つの変換電極、及び電界及び磁界を発生させる偏向器を備え、
   前記ステージに印加する負の電圧の大きさを大きくするとともに、前記偏向器が発生する電界の大きさを大きくし、
   前記試料から発生した二次電子が、前記変換電極のうち、試料側に近い第１の変換電極に設けられた穴を通過し、前記変換電極のうち、電子源側に近い第２の変換電極に衝突するように、前記電界の大きさを制御すること
   を特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 請求項１の走査電子顕微鏡において、
   前記ステージに印加する負の電圧の大きさに応じて、前記偏向器が発生する電界の大きさを変化させない領域と変化させる領域を設けること
   を特徴とする走査電子顕微鏡。
3. 請求項１又は２の走査電子顕微鏡において、
   前記偏向器は、前記第２の変換電極より試料側に配置されていることを特徴とする走査電子顕微鏡。
4. 請求項１において、
   前記偏向器が発生する磁場の大きさは、電場の大きさと所定の関係を保って変化されること
   を特徴とする走査電子顕微鏡。

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