JP6002470B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイスや液晶等の微細な対象物の観察、測定、検査等を行う荷電粒子線装置に係り、特に深溝や深孔のような高アスペクト構造の観察、測定、検査等に好適な荷電粒子線装置に関する。

半導体装置の製造ラインでは回路パターンの寸法管理が歩留り向上、品質管理に不可欠な技術として位置付けられている。この寸法管理には、荷電粒子線装置の一態様であって高い空間分解能を実現する電子顕微鏡を応用したＣＤ−ＳＥＭ（Critical-Dimension Scanning Electron Microscopy）が用いられる。ＣＤ−ＳＥＭは低エネルギーの電子線で高い空間分解能を実現し、回路パターンの横方向（回路パターンの面内方向）の寸法を、サブnmの精度で計測できる。

特許文献１には、電子源から放出される電子ビームを偏向させることなく、試料から放出される電子を電子ビームの軸外に偏向する直交電磁界発生器（以下、ＥｘＢ偏向器やＥｘＢ形フィルタと称する場合がある）が開示されている。特許文献１には更にＥｘＢ偏向器によって発生する収差を相殺するためのもう１つのＥｘＢ偏向器を設けることが説明されている。また、特許文献２にはビームを偏向したときに生ずる収差をＥｘＢ偏向器を用いて相殺する走査電子顕微鏡が開示されている。特許文献３には、位置感度検出器を信号電子の像面に配置することによって、信号電子を可視化（画像化）し、更に位置感度検出器を信号電子の回折面に配置することによって得られる方向情報を画像に反映させることが説明されている。

特許第２８２１１５３号公報 特許第３９３２８９４号公報（対応米国特許USP 6,864,482） 特開２００４−１３４３８７号公報（対応米国特許USP 7,105,814）

昨今の半導体デバイス等の更なる微細化に伴って、走査電子顕微鏡等の観察、測定、検査対象となる構造物のアスペクト比（構造物の深さ／構造物の幅）がより大きくなりつつある。構造物の底部から放出される電子は、底部の情報を知る上で非常に重要なものであるが、底部から放出された電子（二次電子等）の中には構造物の側壁に衝突し、試料表面まで昇って来れないものがある。更に高い分解能が要求される電子顕微鏡では、対物レンズの焦点距離を極力短焦点化する必要があるが、試料から放出される電子をより大きく曲げてしまうことになる。また、電子ビームの走査領域（視野（Field Of View：ＦＯＶ））を、偏向器による偏向によって移動させることで、視野移動の高速化を実現するビームシフトを行う場合、ビームの理想光軸（ビームを偏向しない場合のビーム軌道）から離間した位置にビームを照射することになるため、対物レンズの集束作用は、試料から放出される二次電子等を偏向するように作用することになる。

高アスペクトの構造物の底部から放出される電子に基づく試料情報を顕在化するためには、上記のような偏向作用を考慮しつつ、理想光軸との相対角が狭い方向に放出される電子を選択的に検出することが望ましいが、特許文献１乃至３にはそのような電子を選択的に検出する手法についての何ら開示がない。

以下に、上述のような偏向作用によらず、高アスペクトの構造物の底部から放出される荷電粒子に基づく情報をより顕在化することを目的とする荷電粒子線装置を提案する。

上記目的を達成するための一態様として、以下に荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを偏向する偏向器と、前記荷電粒子ビームの走査によって得られる荷電粒子を検出する検出器を備えた荷電粒子線装置であって、試料から放出された荷電粒子を偏向する第１の直交電磁界発生器と、当該第１の直交電磁界発生器によって偏向された前記荷電粒子を更に偏向する第２の直交電磁界発生器と、前記荷電粒子ビームの通過開口を有する開口形成部材と、当該開口形成部材を通過した前記荷電粒子を偏向する第３の直交電磁界発生器を備えた荷電粒子線装置を提案する。

更に、他の態様として第３の直交電磁界発生器より前記荷電粒子源側に収差補正器（例えば第４の直交電磁界発生器）を備えた荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、対物レンズ等の偏向作用等によらず、高アスペクト構造物の底部から放出される情報を顕在化することが可能となる。

走査電子顕微鏡の概略構成図。 試料から放出された電子の内、高アングルの電子を選択的に検出する走査電子顕微鏡の一例を示す図。 ＥｘＢ形フィルタ（直交電磁界発生器）による電子の偏向軌道の一例を示す図。 収差補正器の一例を示す図。 収差補正器の一例を示す図。 収差補正用ＥｘＢ形フィルタの一例を示す図。 収差補正用ＥｘＢ形フィルタの一例を示す図。 低アングル電子の上側検出器への到達を制限するための遮蔽材として、下側検出器を採用した走査電子顕微鏡の一例を示す図。 試料表面から放出される電子と、ホール底から放出される電子の軌道を示す図。

近年、半導体デバイスの構造は、更なる高集積化を実現するため、プレーナー構造に加え、Ｆｉｎ−ＦＥＴに代表される３次元構造が適用されている。高集積化されたデバイスの回路パターンは数１０nmまで微細化され、そのアスペクト比は近年飛躍的に深化している。

例えば、Flashメモリのゲートではアスペクト比が１０以上、コンタクトホールではアスペクト比が３０以上の回路パターンが加工されている。これまで、半導体の製造ラインでは、プロセスの状態を管理するため、サブnmの精度でパターンの寸法を計測できるＣＤ−ＳＥＭ（Critical Dimension Scanning Electron Microscopy）が用いられてきた。しかし、パターンの高アスペクト化に伴い、パターン底部に対しても高精度な計測が要求され、非破壊で如何にして高精度な計測を実現するかが大きな課題となっている。

以下に説明する実施例では、第１に高アスペクトの構造物の底部から放出される電子に基づく情報を顕在化する荷電粒子線装置について説明する。また、ＣＤ−ＳＥＭでは低加速で高い空間分解能を実現するため、試料直上で電子線を減速させるリターディングと、収差の小さい短焦点の対物レンズが不可欠である。また、リターディングで加速された信号電子を効率的に検出するためＥｘＢ形フィルタを用いることが望ましい。ＥｘＢ形フィルタとは、例えば二次電子に対する偏向電界を発生させる電極と、当該電界に直交する磁界を発生させる磁極を持つ直交電磁界発生器であり、発生する磁界によって電子ビームを二次電子の偏向方向と逆の方向に偏向させることができるため、二次電子の偏向作用を維持しつつ、偏向電界の電子ビームに対する偏向作用を相殺することができる。

ＥｘＢ形フィルタは、低加速で高い空間分解能を実現するために極めて有効な技術である。但し、試料から放出された信号電子を検出器が一括して補足するため、画像のコントラストは加速電圧で一意に決まってしまう。

一方、電子顕微鏡の上面観察画像から試料の３次元の情報を反映させるために、これまで信号電子の放出角度を選択して検出する技術がある。しかしながら、信号電子の放出角度やエネルギーの情報を維持したまま信号電子を検出する必要があり、如何にして信号電子を高精度に分離するかが重要となる。信号電子を分離するには、先に示したＥｘＢ形フィルタが有効だが、フィルタを動作させることで発生する信号電子のエネルギー分散を抑制したり、出射位置の異なる信号電子を一定の入射角度で検出器に導くには、ＥｘＢ形フィルタを複数段設ける必要がある。

今後、高アスペクト比を有する微細な回路パターンを計測するためには、高い空間分解能に加え、自由度が高く且つ高精度に信号電子を弁別する技術が不可欠である。しかし、高い空間分解能を目的に対物レンズを短焦点化すると、信号電子に対し対物レンズは拡大レンズとして作用するため、信号電子は大きく発散して検出器に到達し、ＥｘＢ形フィルタを強く動作させる必要がある。一方、信号電子の弁別を目的に強くＥｘＢ形フィルタを動作させると、収差の影響で高い空間分解能を維持するのが難しくなる。

以下に説明する実施例では第２に、高い空間分解能と、自由度が高く高精度な信号弁別を両立することで、高アスペクト比を有する微細な回路パターン等を観察、測定、検査できる走査電子顕微鏡について説明する。

高アスペクトの構造物の底部から放出される電子に基づく情報を顕在化するためには、放出方向の理想光軸との相対角が小さい電子（高アングル電子）を選択的に検出する必要がある。図９に例示するように、高アスペクトの構造物（ホール９０５）の底部９０６から放出される電子の内、高アングル電子９０１は試料表面に脱出できる。反対に相対角が大きい低アングル電子９０２は構造物の側壁に衝突してしまう。このように電子９０１は検出することができるが、電子９０２を検出することは困難である。一方、構造物表面９０７から放出される電子９０３、９０４は相対角の大小に寄らず高効率に検出することができる。即ち、構造物の底部は、電子９０２が検出できない分、検出効率が劣り、結果として試料表面と比較すると底部が暗い画像が形成されることになる。

一方、高アングル電子を選択的に検出することができれば、底部と試料表面との検出効率の差が抑制される分、底部の情報をより顕在化することが可能となる。そこで高アングルの電子を選択的に通過させ、低アングルの電子を遮断できる部材があれば、上記目的を達成することができる。

そのために以下の実施例では、試料から放出された荷電粒子を偏向する第１の直交電磁界発生器と、当該第１の直交電磁界発生器によって偏向された前記荷電粒子を更に偏向する第２の直交電磁界発生器と、前記荷電粒子ビームの通過開口を有する開口形成部材と、当該開口形成部材を通過した前記荷電粒子を偏向する第３の直交電磁界発生器を備えた荷電粒子線装置について説明する。

理想光軸と試料面の交点以外から放出される電子は、レンズの偏向作用によって、軸外に偏向されることになる。第１の直交電磁界発生器によって、当該荷電粒子を理想光軸に向かって偏向すると共に、第１の直交電磁界発生器より荷電粒子源側に配置される第２の直交電磁界発生器によって、第１の直交電磁界発生器によって偏向された荷電粒子の軌道が理想光軸に平行となるように偏向する。更に第２の直交電磁界発生器より荷電粒子源側に配置された開口部形成部材は、荷電粒子ビームの通過開口を備えているため、第２の直交電磁界発生器によって偏向され、理想光軸に沿って移動する荷電粒子のうち、高アングルの荷電粒子が選択的に上記通過開口を通過することになる。即ち、図９に例示した高アングル電子９０１、９０３が選択的に通過することになるため、相対的に底部が明るい画像を形成することが可能となる。

一旦、角度弁別のために理想光軸に沿うように荷電粒子を偏向することにより、今度はビームを通過させるために設けられた検出器や変換板に設けられた開口を抜けてしまうことになるため、角度弁別後は第３の直交電磁界発生器によって、開口部形成部材を通過した荷電粒子を検出器の検出面、或いは変換板に向かって偏向することによって、角度弁別によって選択された高アングルの荷電粒子を高効率に検出することが可能となる。

更に、第３の直交電磁界発生器より前記荷電粒子源側に収差補正器（例えば第４の直交電磁界発生器）を備えることによって、第３の直交電磁界発生器を含む複数の直交電磁界発生器にて発生する収差をキャンセルすることが可能となる。

以上のように４段の直交電磁界発生器を設け、下段の２段の直交電磁界発生器に荷電粒子の角度弁別のための軌道偏向を実行させ、上段の２段の直交電磁界発生器に荷電粒子検出のための偏向と、下段の直交電磁界発生器によって生ずる収差のキャンセルを実行させる構成は、ビームの照射位置に依らず、ホール底から放出された荷電粒子に基づく情報を顕在化と、装置の高分解能化の両立を実現することが可能となる。

以下に説明する実施例では、主に電子ビームの試料への照射によって得られる電子を検出する検出器と、当該検出器と偏向器との間に配置され、前記電子ビームの通過開口を有する開口形成部材と、前記試料から放出された電子を偏向する二次信号偏向器を備えた走査電子顕微鏡において、前記二次信号偏向器が発生する収差を、前記検出器より電子源側に配置した１つのＥｘＢ形フィルタで補正する機能を備えた走査電子顕微鏡について説明する。上記構成とすることにより、高アスペクト構造の底を、高精度に計測することが可能となる。

高い空間分解能に加え、自由度が高く且つ高精度に信号電子を弁別するため、１次電子線の光軸には作用せず、信号電子の軌道だけを制御するＥｘＢ形フィルタを複数配置し、それらのＥｘＢ形フィルタが発生する収差を検出器の上に配置した１つのＥｘＢ形フィルタで打ち消す。このように、検出器の上に配置した１つのＥｘＢ形フィルタで収差を打ち消すことで、大幅なスペース削減ができる他、収差を打ち消すＥｘＢは信号電子を偏向する必要がないため、収差打ち消しに特化した構造を採用することができる。

本実施例では主に、信号電子の軌道をＥｘＢ形フィルタで制御し、信号電子制限板を通過させる際、ＥｘＢ形フィルタが発生する収差を検出器の上に配置した１つのＥｘＢ形フィルタで打ち消す例について説明する。初めに、構成および原理を示す。

図１は、ＳＥＭ式半導体計測装置の概略構成図である。以下、本実施例のＳＥＭ式半導体計測装置の基本的な構成について説明する。計測装置は、大きく分けて、ＳＥＭ筐体１、試料室２、筐体制御部３、信号処理部４、ステージ制御部５、ウェーハ搬送部８、真空排気部９で構成され、これら全てをコンソール６で制御できるよう構成されている。コンソール６はレシピや計測結果、取得した走査像を記憶できる大容量のストレージ媒体７を持ち、このストレージ媒体７に記録されたデータを元に、装置の動作や、データの管理を行う。ここでＳＥＭ筐体１、試料室２は真空排気部９に含まれる排気ポンプにより真空が維持されており、目的に応じてコンソール６から真空排気部９を制御し、ＳＥＭ筐体１及び試料室２、試料準備室１０の排気やリークをすることができる。以下、各部位について構成とその部位が果たす機能について順を追って説明する。

（ＳＥＭ筐体１）
ＳＥＭ筐体１は、電子源１１、引出電極１２、アノード電極１３、コンデンサレンズ１４、ＥｘＢ形フィルタａ１５、変換板１６、検出器ａ１７、ＥｘＢ形フィルタｂ１８、信号電子制限板１９、検出器ｂ２０、ＥｘＢ形フィルタｃ２１、ＥｘＢ形フィルタｄ２２、偏向器２３、対物レンズ２４、高さセンサ２５で構成される。ＳＥＭ筺体１では、電子源１１と引出電極１２との間の電位差で１次電子線を引き出す。１次電子線は、変換板１６並びに信号電子制限板１９の中央に設けられた穴を通過するようコンデンサレンズ１４で収束させられる。

その後、１次電子線は試料２６上の所望の領域を２次元的に走査するよう偏向器２３で軌道を変えられてから対物レンズ２４で試料２６上に収束して照射される。ここで、試料室２に設置された試料２６には、筺体制御部３内のリターディング電源から１次電子線を減速させる電圧が印加されている。試料２６から放出された信号電子は試料２６に印加された電圧に応じたエネルギーまで加速され、対物レンズ２４、偏向器２３を通過し、信号電子制限板１９、並びに変換板１６に衝突してから、検出器ｂ２０並びに検出器ａ１７で補足される。上記は、ＳＥＭ筐体の一般的な構成だが、本実施例では走査方向が約１８０度異なる２枚の走査像を比較するため、２枚の走査像で走査信号が正確に反転している必要がある。

（試料室２、並びにウェーハ搬送部８）
試料室２はステージ２７、絶縁材２８、試料フォルダ２９、ミラー３０で構成される。試料フォルダ２９と接地されたステージ２７とは、絶縁材２８で電気的に絶縁されており、試料２６、ミラー３０は、試料フォルダ２９に対し電気的に接地されている。試料フォルダ２９には試料室２の外部からフィードスルーを介し高電圧を印加することができる。また、ステージ制御部５内のステージ駆動装置３１により、ステージ２７はＳＥＭ筐体１の中心軸に対し垂直方向に２次元的に駆動することで、試料２６全ての領域をＳＥＭ筺体１の中心軸の直下に移動させることができる。なお、ミラー３０は試料２６の位置を計測するため、試料フォルダ２９に取り付けられており、ステージ制御部５内にあるレーザ測長装置３２から試料室２の真空を隔壁するガラス窓を介してレーザが照射できる構成となっており、レーザ測長装置３２で試料２６の位置を計測することで、微細なパターンが集積された半導体パターンでも、所望の位置の走査像を得ることができる。

ウェーハ搬送部８は搬送制御部３３と搬送ロボット３４で構成される。ウェーハ搬送部８は、コンソール６からの制御信号に基づき搬送制御部３３が搬送ロボット３４を制御し、ウェーハ搬送部８に設置された試料２６を、試料準備室１０に搬送する。ここで、試料２６はウェーハ搬送部８から試料準備室１０、そして試料室２へと段階的に搬送されるが、各部の間にはバルブ３５が設けられている。コンソール６はバルブ３５と真空排気部９を制御し、搬送の動作中も試料室２の真空が常に維持できるよう、試料２６を自動で搬送することができる。

（筺体制御部３）
筐体制御部３は、コンソール６から送られる制御信号に基づき、ＳＥＭ筐体１に含まれる電子源１１や各種レンズを動作させる。筺体制御部３には、筺体制御電源３６、収差補正電源３７、信号電子軌道制御電源３８、１次電子軌道制御電源３９、リターディング電源４０で構成される。筺体制御電源３６は、電子源１１、コンデンサレンズ１４、並びに対物レンズ２４に定電圧または定電流を供給し、試料２６に収束した１次電子線を照射することができる。１次電子軌道制御電源３９は、偏向器２３に電圧または電流を供給し、試料２６の所望の箇所に１次電子線を走査することができる。リターディング電源４０の動作については、前述の（試料室、並びにウェーハ搬送部）に記載。信号電子軌道制御電源３８の動作については、後述の（信号電子の軌道制御方法）に記載。収差補正電源３７の動作については、後述の（収差補正の制御方法）に記載。

（信号処理部４）
信号処理部４は、コンソール６から送られる制御信号に基づき、試料２６の走査像を形成する。信号処理部４は、画像メモリ４２、画像処理部４３、信号処理部４４で構成される。コンソール６は、走査像を形成するため１次電子軌道制御電源３９に走査信号を送り、信号処理部４は検出器ａ１７、並びに検出器ｂ２０で検出した信号を走査信号に同期してサンプリングする。各々の検出器で検出された信号は、個別に設けられたレベル調整回路４１で独立に増幅されデジタル信号に変換されてから、信号処理部４内のメモリ４２に格納される。

ここで、レベル調整回路４１を個別に備える目的は、検出器ａ１７と、検出器ｂ２０で信号量が大きく異なる場合においても、最適な信号増幅を実現するためである。メモリ４２に格納された各々の走査像は、画像処理部４３で加算、減算等の演算処理が施され、信号処理部４４に送られる。信号処理部４４では演算処理された走査像の中から、所定の領域の信号波形（ラインプロファイル）を出力し、その波形から試料の形状に関する情報を抽出する。なお、信号処理部４４では演算処理した走査像だけでなく、各々の検出器で取得した走査像に対して独立に信号波形を出力し、形状に関する情報を出力することもできる。このように、各々の検出器で得られた走査像を適切に組み合わせる機能を持たせることで、所望の領域について高精度に計測することができる。

（信号電子の軌道制御方法）
次に信号電子の軌道制御について図２並びに図３を用いて説明する。図２、並びに図３は、ＳＥＭ式半導体計測装置の概略構成図の中のＳＥＭ筺体１の一部を抜粋したものである。図２は、信号電子制限板１９による信号電子の角度弁別の原理を示しており、試料２６から放出された信号電子はＳＥＭ筺体１の中心軸１００に沿って試料２６から対物レンズ２４の方へ進行する。信号電子制限板１９は、電子ビーム通過開口を備えた開口部形成部材であり、大きな仰角で放出された信号電子１１１は、信号電子制限板１９に衝突し、発生した３次電子１２０を検出器ｂ２０が捕捉する。一方、小さな仰角で放出された信号電子１１０は、信号電子制限板１９を通過しＥｘＢ形フィルタｂ１８で曲げられ変換板１６に衝突し、発生した３次電子を検出器ａ１７が捕捉する。以上のように、信号電子の放出角度を弁別して検出する技術では、信号電子制限板１９の開口の大きさで信号電子の取り込み仰角を制限することができる。小さな仰角で放出された信号電子１１０と大きな仰角で放出された信号電子１１１を独立に検出し、後段のレベル調整回路４１が各々の信号量に適した増幅をすることで、試料の立体構造をより鮮明に可視化することができる。

図３は、図２の構成で信号電子の出射位置がＳＥＭ筐体の中心軸１００から離軸した場合を示しており、偏向器２３で１次電子線を偏向した場合、信号電子は中心軸１００から大きく離れた軌道を描く。図３（ａ）は偏向器２３だけが動作した場合を示しており、中心軸１００から離軸して出射する信号電子の中心軌道１０１は、対物レンズ２４の収束場と、偏向器２３の偏向場で軌道が曲げられる。そして、信号電子のほとんどが信号電子制限板１９に衝突し、検出器ｂ２０で捕捉させる。この場合、信号電子制限板１９の開口から大きく離れた位置に信号電子が衝突するため、開口による角度制限の機能は活かされない。

図３（ｂ）は、（ａ）の場合に信号電子軌道制御としてＥｘＢ形フィルタｃ２１、ＥｘＢ形フィルタｄ２２を連動させた場合を示している。ここで、ＥｘＢ形フィルタｃ２１、ＥｘＢ形フィルタｄ２２は、いずれも１次電子線の軌道を変えないよう電場と磁場の強さが調整されているため、信号電子の出射位置は図３（ａ）と変わらない。しかし、図３（ｂ）の場合、対物レンズ２４と偏向器２３の場で曲げられた信号電子の軌道は、その信号電子の中心軌道１０１が信号電子制限板１９に対し垂直、且つ光学系の中心軸１００と重なるよう、２つのＥｘＢ形フィルタで調整されるため、図２と同様の角度弁別の機能を発揮することができる。

このようにＥｘＢ形フィルタを多段で配置し、偏向信号に連動させることで、１次電子線を偏向した場合でも高精度に信号電子の放出角度を弁別することが可能になる。

（収差補正の制御方法）
１次電子線に対しＥｘＢ形フィルタが及ぼす収差の影響は、電場と磁場の偏向作用の違いに起因した色収差であり、偏向方向にボケを生みだす。このボケの大きさは、ＥｘＢ形フィルタの動作量と１次電子線のクロスオーバまでの距離で決まり、動作量が大きく、且つクロスオーバまでの距離が長いほどボケは大きくなる。この色収差を打ち消すためには、別のＥｘＢ形フィルタで逆方向のボケを発生させる必要があり、ＥｘＢ形フィルタの動作量とクロスオーバまでの距離の積が、各々のＥｘＢ形フィルタで正負反転するよう調整することで色収差を打ち消すことができる。

以下、図を用いて上述したような収差を打ち消す制御方法について説明する。図４、並びに図５は、多段に配置したＥｘＢ形フィルタが発生する収差を１つのＥｘＢ形フィルタで打ち消す方法を示しており、図４は動作する多段のＥｘＢ形フィルタの間にクロスオーバ１０２がない場合で、図５は動作する多段のＥｘＢ形フィルタの間にクロスオーバ１０２がある場合を示している。それぞれの図は、ＳＥＭ式半導体計測装置の概略構成図の中で、ＳＥＭ筺体１のＥｘＢ形フィルタ近傍の抜粋と、それに関連する制御電源並びにコンソール６の処理を示している。

図４では、１次電子線は変換板１６と信号電子制限板１９の開口を通過し、ＥｘＢ形フィルタｄ２２の下にクロスオーバを形成している。ここで、信号電子の軌道を制御する各ＥｘＢフィルタの動作量を、ＥｘＢ形フィルタｂ１８は（Ｖｘｂ，Ｖｙｂ）、ＥｘＢ形フィルタｃ２１は（Ｖｘｃ，Ｖｙｃ）、ＥｘＢ形フィルタｄ２２は（Ｖｘｄ，Ｖｙｄ）とし、各ＥｘＢ形フィルタからクロスオーバ１０２までの距離をＬ２、Ｌ３、Ｌ４とすると、各々のＥｘＢ形フィルタが発生する色収差の大きさは以下の式に比例する。

上記の式を補正に用いるＥｘＢ形フィルタａ１５からクロスオーバ１０２までの距離Ｌ１で規格化し、足し合わせることでｂからｄのＥｘＢ形フィルタの色収差を合成することができる。

上式の（ｄＶｘ，ｄＶｙ）がＥｘＢ形フィルタｂからｄが発生する色収差の合成で、以下の式のようにＥｘＢ形フィルタａ１５を（ｄＶｘ，ｄＶｙ）と逆極性に動作させることで発生する色収差を打ち消すことができる。

図５についても同様だが、クロスオーバ１０２が動作する多段のＥｘＢ形フィルタの間にあるため、ＥｘＢ形フィルタとクロスオーバの位置関係で合成する際に動作方向を反転させる必要がある。これは、クロスオーバ１０２がＥｘＢ形フィルタの上にある場合と下にある場合でクロスオーバ１０２の移動方向が反転するためである。この場合、ｂからｄのＥｘＢ形フィルタが発生する色収差を合成すると以下の式になる。

上式では、ＥｘＢ形フィルタｂ１８とＥｘＢ形フィルタｃ２１の間にクロスオーバ１０２があるため、第２項と第３項に−１がかけられている。図４の場合と同様に、この合成した色収差を打ち消すためには、ＥｘＢ形フィルタａ１５を（ｄＶｘ，ｄＶｙ）と逆極性に動作させることで発生する色収差を打ち消すことができる。

以上の制御を正確に行うためには、各ＥｘＢ形フィルタを正確に動作させるだけでなく、クロスオーバ１０２の位置を正確に知る必要がある。この場合、クロスオーバ１０２は図１中のコンデンサレンズ１４の励磁で決まるため、あらかじめコンデンサレンズ１４の励磁とコンデンサレンズ１４からクロスオーバ１０２までの距離をデータベース又は関数式としてコンソール６に記憶させておく必要がある。コンデンサレンズ１４と各ＥｘＢ形フィルタまでの距離は筺体の設計で決まるので、上記のデータベース又は関係式を持つことで、多段に配置したＥｘＢ形フィルタが発生する収差を１つのＥｘＢ形フィルタで打ち消すことができる。これまでの式はＥｘＢ形フィルタの静電偏向の動作電圧について着目して記述してきた。上述で割愛してきたＥｘＢ形フィルタを構成するもう１つの電磁偏向の動作量については、１次電子線の軌道を変えないウィーン条件を満たすよう動作量を決める必要がある。ウィーン条件の決め方は、走査像の視野が動かないよう、静電偏向の電圧と電磁偏向の電流を決めても良いし、対物レンズの電流中心軸から光軸がずれないよう、静電偏向の電圧と電磁偏向の電流を決めても良い。本実施例は、全てのＥｘＢ形偏向器がこのウィーン条件を満たすよう動作することで初めて効果を発揮することができる。

本実施例で示した技術を適用することで、高い空間分解能に加え、自由度が高く且つ高精度に信号電子を弁別することができる。

（収差打ち消し用のＥｘＢ形フィルタ）
本実施例では、多段のＥｘＢ形フィルタが発生する収差を検出器の上に配置した１つのＥｘＢ形フィルタで補正する。この構成を用いることで、信号電子を偏向するＥｘＢ形フィルタに対し、１対で収差補正用のＥｘＢ形フィルタを搭載する必要がなくなり、大幅なスペース削減を実現できる。また、検出器の上に補正用のＥｘＢ形フィルタを配置することから、そのＥｘＢ形フィルタを収差補正に特化して最適化することができる。前述の（収差補正の制御方法）では、ＥｘＢ形フィルタが発生する色収差のみに着目して説明したが、非点収差に対しても積極的に補正をすることができる。非点収差は、静電偏向器や電磁偏向器の組み立て精度の不足や、１次電子線がＥｘＢ形フィルタの中心から離軸して通過することが原因で発生する。

図６は収差補正用のＥｘＢ形フィルタの概略構成を示したもので、（ａ）は静電偏向の配線、（ｂ）は電磁偏向の配線を示している。実際は（ａ）、（ｂ）は重ねて描くべきだが、便宜上静電偏向と電磁偏向を分けて図に示している。ここでは、ＥｘＢ形フィルタが発生する非点収差の補正について説明する。図６に示したＥｘＢ形フィルタは静電８極形の静電偏向器４５にＸＹの電磁偏向器４６を組み合わせている。静電偏向器４５は、収差補正電源３７内の電圧制御回路４８に繋げられており、コンソール６からの制御信号に基づき、電圧制御回路４８から各偏向電極に所定の電圧を印加することで偏向場を発生させることができる。また、電磁偏向器４６は、収差補正電源３７の電流制御回路４７に繋げられており、コンソール６からの制御信号に基づき、電流制御回路４７から各偏向コイルに所定の電流を流すことで、偏向場を発生させることができる。このＥｘＢ形フィルタで非点収差を補正するためには、静電８極偏向器に非点収差のＸ方向補正成分１０５とＹ方向補正成分１０６を重畳することで実現できる。各補正成分は、コンソール６からの制御信号に基づき、電圧制御回路４８で先に示した色収差の補正電圧に、各補正成分の電圧を足しこむことで重畳することができる。

静電偏向に非点収差の補正機能を重畳する場合、補正機能を重畳したことによる光軸のずれが問題になる場合がある。この光軸のずれは、非点収差を補正する静電場の中心を１次電子線が通らない場合、静電場で１次電子線が偏向されるため発生してしまう現象である。この場合、先に説明したウィーン条件を満たすようＥｘＢ形フィルタが動作しないため、非点収差が補正できても、対物レンズ２４の中心軸を通らないことで発生する軸外収差が発生する。一般的に非点収差は、補正による光軸のずれを戻すため、非点収差の補正にアライナを連動させる。このアライナは静電偏向でも電磁偏向でも良く、非点補正の動作で走査像の視野が動かなくなるよう、アライナが連動すれば良い（以下、この連動をスティグマアライメントとする）。本実施例ではこのスティグマアライメントをＥｘＢ形フィルタの電磁偏向に重畳する。スティグマアライメントは、コンソール６からの制御信号に基づき、電流制御回路４７で先に示したウィーン条件から決まる電流に、スティグマアライメントの電流を足しこむことで重畳することができる。

図６では、８極の静電偏向器とＸＹの電磁偏向を組み合わせたＥｘＢ形フィルタを例に本実施例の動作を説明した。しかし、この動作は１２極、又は４極の静電偏向器でも実現可能である。この場合、静電偏向器で非点収差を補正することができないため、電磁偏向器を８極にし、非点補正用のコイルにアライナ用のコイルを重ねて巻くことで、上述の動作を実現することができる。

本実施例では、信号電子の軌道を制御する複数のＥｘＢ形フィルタが発生する収差を検出器の上に配置した１つのＥｘＢ形フィルタで補正する。この構成を用いる利点は、先に説明したように、信号電子を偏向するＥｘＢ形フィルタに対し、１対で収差補正用のＥｘＢ形フィルタを搭載する必要がなくなり、大幅なスペース削減を実現できること。そして、検出器の上に補正用のＥｘＢ形フィルタを配置することで、そのＥｘＢ形フィルタを収差補正に特化して最適化することができることである。

収差を補正するＥｘＢ形フィルタは、大きく広がった信号電子を通過させる必要がないため、静電偏向器の内径を小さくすることができる。図７は、４極の静電偏向器を用いた場合の概略構成を示したもので、電磁偏向器は先に述べたよう８極で、非点補正用のコイルにアライナ用のコイルを重ねて巻いてある。図７で、（ａ）は静電偏向の配線、（ｂ）は電磁偏向の配線、（ｃ）は非点補正の配線を示している。実際は（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を重ねて描くべきだが、便宜上分けて図に示している。また、図７に示したＥｘＢ形フィルタでは、静電偏向器４５と電磁偏向器４６を真空隔壁４９で隔てている。この構成では、静電偏向器４５は真空中、電磁偏向器４６は大気中に配置されるが、動作により発熱を伴う電磁偏向器４６を真空中に配置しないことで、真空が劣化しないという大きな利点がある。このＥｘＢ形フィルタの構成は、収差補正に特化し、静電偏向器４５の内径を小さくすることで、初めて実現できる最適な構成の一例である。図７（ａ）の静電偏向器４５には、収差補正電源３７内の電圧制御回路４８が繋げられており、コンソール６からの制御信号に基づき、電圧制御回路４８から各偏向電極に所定の電圧を印加することで偏向場を発生させることができる。図７（ｂ）の電磁偏向器４６に巻かれたアライナコイル５０には、収差補正電源３７の電流制御回路４７が繋げられており、コンソール６からの制御信号に基づき、電流制御回路４７から各偏向コイルに所定の電流を流すことで、偏向場を発生させることができる。また、図７（ｃ）の電磁偏向器４６に巻かれた非点補正コイル５１には、収差補正電源３７の非点補正用電流制御回路５２が繋げられており、コンソール６からの制御信号に基づき、非点補正用電流制御回路５２から各コイルに所定の電流を流すことで、非点を補正する場を発生させることができる。

本実施例で説明した収差補正用のＥｘＢ形フィルタを信号電子が通過する位置に配置した場合、色収差の補正動作、並びに非点収差の補正動作で信号電子の軌道が偏向されるため、（信号電子の軌道制御方法）で説明した効果を発揮することができない。収差補正用のＥｘＢ形フィルタを検出器の上に配置することで、初めて本発明の目的である、高い空間分解能に加え、自由度が高く且つ高精度な信号電子の弁別が可能になる。

次に、多段のＥｘＢフィルタを備えた走査電子顕微鏡の他の例について説明する。図８は、試料から放出される電子を増幅して検出するマイクロチャンネルプレート８０１、８０２を検出器として備えた走査電子顕微鏡の一例を示す図である。本例の場合、マイクロチャンネルプレート８０２が、電子ビーム通過開口を備えた開口部形成部材となる。マイクロチャンネルプレート８０２によって検出された信号は、増幅器８０４によって増幅され、制御装置８０５内に設けられた画像メモリに画像信号、或いは信号波形情報として記憶される。また、マイクロチャンネルプレート８０２を通過した高アングルの電子は、ＥｘＢ形フィルタｂ１８によって軸外に偏向され、マイクロチャンネルプレート８０１によって捕捉される。マイクロチャンネルプレート８０１によって検出された信号は、増幅器８０３によって増幅され、画像メモリに記憶される。画像メモリに記憶された画像信号は表示装置８０６に表示可能であり、また制御装置８０５は、上段の検出器と下段の検出器の出力の増幅率を調整して、合成画像を形成するための演算装置ともなる。

以上のように検出器自体を角度弁別用の遮蔽部材として用いることによっても、高アングル電子を選択的に検出することが可能となる。

１ ＳＥＭ筐体
２ 試料室
３ 筐体制御部
４、４４ 信号処理部
５ ステージ制御部
６ コンソール
７ ストレージ媒体
８ ウェーハ搬送部
９ 真空排気部
１０ 試料準備室
１１ 電子源
１２ 引出電極
１３ アノード電極
１４ コンデンサレンズ
１５ ＥｘＢ形フィルタａ
１６ 変換板
１７ 検出器ａ
１８ ＥｘＢ形フィルタｂ
１９ 信号電子制限板
２０ 検出器ｂ
２１ ＥｘＢ形フィルタｃ
２２ ＥｘＢ形フィルタｄ
２３ 偏向器
２４ 対物レンズ
２５ 高さセンサ
２６ 試料
２７ ステージ
２８ 絶縁材
２９ 試料フォルダ
３０ ミラー
３１ ステージ駆動装置
３２ レーザ測長装置
３３ 搬送制御部
３４ 搬送ロボット
３５ バルブ
３６ 筺体制御電源
３７ 収差補正電源
３８ 信号電子軌道制御電源
３９ １次電子軌道制御電源
４０ リターディング電源
４１ レベル調整回路
４２ メモリ
４３ 画像処理部
４５ 静電偏向器
４６ 電磁偏向器
４７ 電流制御回路
４８ 電圧制御回路
４９ 真空隔壁
５０ アライナコイル
５１ 非点補正コイル
５２ 非点補正用電流制御回路
１００ 中心軸
１０１ 信号電子の中心軌道
１０２ クロスオーバ
１０５ 非点収差のＸ方向補正成分
１０６ 非点収差のＹ方向補正成分
１１０、１１１ 信号電子
１２０ ３次電子

Claims (17)

1. 荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを偏向する偏向器と、前記荷電粒子ビームの走査によって得られる荷電粒子を検出する検出器を備えた荷電粒子線装置において、
   試料から放出された荷電粒子を偏向する第１の直交電磁界発生器と、当該第１の直交電磁界発生器によって偏向された前記荷電粒子を更に偏向する第２の直交電磁界発生器と、前記荷電粒子ビームの通過開口を有する開口形成部材と、当該開口形成部材を通過した前記荷電粒子を偏向する第３の直交電磁界発生器と、前記偏向器の偏向信号に連動して、前記試料から放出された荷電粒子が、前記荷電粒子ビームの光軸に向かうように前記第１の直交電磁界発生器を制御すると共に、当該第１の直交電磁界発生器によって偏向された荷電粒子を、前記通過開口に向かうように前記第２の直交電磁界発生器を制御する制御装置を備え、前記検出器は、前記試料から放出され、前記通過開口を通過した荷電粒子、或いは当該荷電粒子が発生させる荷電粒子を検出することを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１において、
   前記開口形成部材は、前記試料から放出される荷電粒子の衝突によって二次電子を発生させる変換板であることを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項２において、
   前記検出器は、前記変換板から放出される荷電粒子を検出することを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１において、
   前記開口形成部材は、前記試料から放出される荷電粒子を検出する検出器であることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項１において、
   前記第３の直交電磁界発生器より前記荷電粒子源側に、収差補正器を配置したことを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項５において、
   前記収差補正器は、第４の直交電磁界発生器であって、前記第１の直交電磁界発生器、第２の直交電磁界発生器、及び第３の直交電磁界発生器が生じさせる収差を相殺するように制御されることを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項１において、
   前記第１の直交電磁界発生器と前記第２の直交電磁界発生器は、前記偏向器による前記荷電粒子ビームの偏向状態に応じて、前記試料から放出される荷電粒子に対する偏向状態を変化させることを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項７において、
   前記第１の直交電磁界発生器と第２の直交電磁界発生器は、前記試料から放出される荷電粒子の軌道が、前記荷電粒子ビームの理想光軸と平行となるように、当該荷電粒子を偏向することを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームの照射位置を偏向する偏向器と、前記荷電粒子ビームの試料への照射によって得られる二次信号を検出する第１の検出器を備えた荷電粒子線装置において、
   前記第１の検出器と前記偏向器との間に配置される前記荷電粒子ビームの通過開口を有する開口形成部材と、前記試料から放出される荷電粒子を前記通過開口に向かって偏向する２以上の二次信号偏向器と、前記第１の検出器より前記荷電粒子源方向に配置され、前記２つ以上の二次信号偏向器によってもたらされる前記荷電粒子ビームの収差を補正する１つの収差補正器と、前記２以上の二次信号偏向器によってもたらされる複合収差を補正するように、前記１つの収差補正器を制御する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 請求項９において、
    前記２つ以上の二次信号偏向器、並びに前記１つの収差補正器が静電場と静磁場を重畳させた偏向器であることを特徴とする荷電粒子線装置。
11. 請求項９において、
    前記２つ以上の二次信号偏向器、並びに前記１つの収差補正器が静電場と静磁場を重畳させた偏向器であり、且つ静電場と静磁場が荷電粒子ビームを偏向せず、前記二次信号のみ偏向することを特徴とする荷電粒子線装置。
12. 請求項９において、
    前記荷電粒子ビームが形成するクロスオーバの距離と、前記二次信号偏向器の動作量に応じて、前記収差補正器の動作量を設定することを特徴とする荷電粒子線装置。
13. 請求項９において、
    前記収差補正器が補正する収差が、前記２つ以上の二次信号偏向器の発生する色収差であることを特徴とする荷電粒子線装置。
14. 請求項９において、
    前記収差補正器が補正する収差が、前記２つ以上の二次信号偏向器の発生する非点収差であり、且つ前記非点収差の補正で前記荷電粒子ビームが偏向されないよう、前記荷電粒子ビームの軌道を校正する機能を備えていることを特徴とする荷電粒子線装置。
15. 請求項９において、
    前記開口形成部材と前記第１の検出器の間にエネルギーフィルタを備えていることを特徴とする荷電粒子線装置。
16. 請求項９において、
    前記開口形成部材より前記試料側に第２の検出器を備えていることを特徴とする荷電粒子線装置。
17. 請求項９において、
    前記第１の検出器と第２の検出器の信号を用いて前記試料の形状を計測することを特徴とする荷電粒子線装置。