JP7004776B2 - Charged particle beam device - Google Patents
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本開示は、試料に荷電粒子ビームを照射することによって、試料から放出される荷電粒子を検出する荷電粒子線装置に係り、特に、荷電粒子ビーム光軸に対し、或る相対角度方向に放出される荷電粒子を検出する荷電粒子線装置に関する。 The present disclosure relates to a charged particle beam device that detects charged particles emitted from a sample by irradiating the sample with a charged particle beam, and in particular, the particles are emitted in a certain relative angular direction with respect to the optical axis of the charged particle beam. It relates to a charged particle beam device for detecting charged particles.
荷電粒子線装置の一態様である走査電子顕微鏡は、試料に向かって電子ビームを照射することによって得られる２次電子等の検出に基づいて、画像や信号波形を生成する装置である。試料から放出される電子の中で反射電子（後方散乱電子）は、試料表面に入射する角度の鏡面反射方向に放出されるという角度依存性を持っているため、試料の凹凸を観察するのに適していることが知られている。特許文献１には、試料面に対し小さな角度（低アングル）方向に放出された反射電子を、試料に向かって集束磁場を漏洩させる対物レンズの漏洩磁場を利用して対物レンズ上に導き、その軌道上に配置された検出器によって検出する走査電子顕微鏡が開示されている。また、特許文献２には、対物レンズのビーム通路内に電子ビームを一時的に加速させる加速管を設けると共に、当該加速管内に反射電子検出器を設置した走査電子顕微鏡が開示されている。特許文献２には、対物レンズの反射電子に対する収束作用と、２次電子に対する収束作用に差があるという現象を利用した２次電子と反射電子を弁別検出法が説明されている。
A scanning electron microscope, which is one aspect of a charged particle beam device, is a device that generates an image or a signal waveform based on the detection of secondary electrons or the like obtained by irradiating a sample with an electron beam. Among the electrons emitted from the sample, the backscattered electrons (backscattered electrons) have an angle dependence that they are emitted in the specular reflection direction of the angle incident on the sample surface, so it is necessary to observe the unevenness of the sample. It is known to be suitable. In
反射電子は一般的に二次電子よりも量が少なく、観察、測定、或いは検査を高精度に行うための十分な信号量が得られないことがある。十分な信号量を確保するために、電子ビームの照射時間やプローブ電流を増加させることが考えられるが、観察等に要する時間や、ビーム照射に基づく帯電量が増加するため、低ドーズを維持しつつ、検出量を増加することが望ましい。そのために、低角反射電子のみではなく、量の比較的多い中角反射電子を検出することが望ましい。 The amount of backscattered electrons is generally smaller than that of secondary electrons, and it may not be possible to obtain a sufficient amount of signal for observing, measuring, or inspecting with high accuracy. It is conceivable to increase the electron beam irradiation time and probe current in order to secure a sufficient signal amount, but the time required for observation and the charge amount based on the beam irradiation increase, so the low dose is maintained. However, it is desirable to increase the detection amount. Therefore, it is desirable to detect not only low-angle reflected electrons but also medium-angle reflected electrons in a relatively large amount.
特許文献１のように対物レンズの漏洩磁場によって、対物レンズ上に配置された検出器に、反射電子を導くことによって、ある程度の量の低角反射電子を検出することができるが、このような構成では、カバーできる検出角度範囲に限りがある。広い角度範囲（低角度から中角度）に放出される反射電子を高効率に検出するためには、検出面を大きくするか、反射電子が放出されるビーム照射位置と検出面を近づける必要があるが、特許文献１に開示の構成では、高効率検出化に限りがある。また、特許文献２についても電子ビームを加速させるための加速管内に、検出器の検出面が設けられているため、検出面の大型化には限りがある。特に、検出面の大きさは対物レンズの内側磁路先端部の内径よりも小さくなり、一次電子線光軸に近い高角反射電子は検出されるが、広がった軌道をもつ低角・中角反射電子の検出効率が低下する。また磁路に穴をあける構成であるため、対物レンズの寄生収差や加工精度ばらつきが生じ、高分解能化の妨げとなる。
As in
以下に、試料から放出される荷電粒子の検出角度範囲を広範囲にカバーすることを目的とする荷電粒子線装置を提案する。 Below, we propose a charged particle beam device that aims to cover a wide range of detection angles of charged particles emitted from a sample.
上記目的を達成するための一態様として、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束する対物レンズと、試料から放出された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、前記対物レンズは、コイルを包囲するように形成された内側磁路と外側磁路を含み、前記内側磁路は、前記荷電粒子ビームの光軸に対向する位置に配置される第１の内側磁路と、前記荷電粒子ビームの光軸に向かって傾斜して形成され、磁路先端を含む第２の内側磁路から構成され、前記磁路先端を通過すると共に、前記荷電粒子ビーム光軸に平行な仮想直線より外側に、前記検出器の検出面が配置される荷電粒子線装置を提案する。 One aspect for achieving the above object is a charged particle beam apparatus equipped with an objective lens that focuses a charged particle beam emitted from a charged particle source and a detector that detects the charged particles emitted from the sample. The objective lens includes an inner magnetic path and an outer magnetic path formed so as to surround the coil, and the inner magnetic path is a first inner side arranged at a position facing the optical axis of the charged particle beam. It is formed by a magnetic path and a second inner magnetic path that is formed at an angle toward the optical axis of the charged particle beam and includes the tip of the magnetic path. We propose a charged particle beam device in which the detection surface of the detector is arranged outside the virtual straight line parallel to.
上記構成によれば、低角度から中角度に亘った広い範囲に、試料から放出される荷電粒子を高効率に検出することが可能となる。 According to the above configuration, it is possible to detect charged particles emitted from a sample in a wide range from a low angle to a medium angle with high efficiency.
荷電粒子線装置の一種である走査電子顕微鏡の用途の１つとして、半導体デバイスの評価・計測がある。近年、半導体デバイスの構造は微細化、３Ｄ化が進んでおり、半導体デバイスメーカーである顧客が求める評価値が多様化している。特に、デバイス構造の３Ｄ化に伴い、歩留まり向上のために半導体基板上の穴や溝形状の底部寸法を高精度に計測したいというニーズがある。 One of the applications of the scanning electron microscope, which is a kind of charged particle beam device, is the evaluation and measurement of semiconductor devices. In recent years, the structure of semiconductor devices has become finer and 3D, and the evaluation values required by customers who are semiconductor device manufacturers have diversified. In particular, with the shift to 3D device structure, there is a need to measure the bottom dimensions of holes and groove shapes on a semiconductor substrate with high accuracy in order to improve the yield.
電子ビームを試料に照射すると、電子と試料の相互作用によって様々なエネルギーをもった信号電子が様々な方向に出射する。信号電子は、出射エネルギーと出射角度に応じて試料に関する異なる情報を持っており、信号電子の弁別検出が、多様な計測に不可欠である。 When the sample is irradiated with an electron beam, signal electrons having various energies are emitted in various directions due to the interaction between the electrons and the sample. The signal electron has different information about the sample depending on the emission energy and the emission angle, and the discrimination detection of the signal electron is indispensable for various measurements.
一般に、５０ｅＶ以下のエネルギーで出射する信号電子を二次電子、それよりも大きく、一次電子線のエネルギーに近いエネルギーで出射する信号電子を反射電子と呼び、信号電子は区別される。二次電子は試料の表面形状や電位ポテンシャルに敏感であり、半導体デバイス構造のパターン幅などの表面構造の寸法計測に有効であるが、穴・溝などの３Ｄ構造に対しては側壁に吸収されるなどして穴・溝から脱出できず、検出および計測ができない。一方、反射電子は試料の組成や立体形状の情報を含んでおり、３Ｄ構造や、表面と底部の組成の違いなどの情報が得られるとともに、高いエネルギーをもつため、穴・溝から側壁を貫通して脱出でき、穴・溝構造の底部からの信号検出および計測に用いることができる。 Generally, signal electrons emitted with an energy of 50 eV or less are referred to as secondary electrons, and signal electrons emitted with an energy larger than that and close to the energy of the primary electron beam are referred to as backscattered electrons, and signal electrons are distinguished. Secondary electrons are sensitive to the surface shape and potential potential of the sample and are effective for measuring the dimensions of surface structures such as the pattern width of semiconductor device structures, but they are absorbed by the side walls for 3D structures such as holes and grooves. It cannot escape from the hole / groove and cannot be detected and measured. On the other hand, the backscattered electrons include information on the composition and three-dimensional shape of the sample, and information such as the 3D structure and the difference in composition between the surface and the bottom can be obtained. It can be escaped and used for signal detection and measurement from the bottom of the hole / groove structure.
なお、以下の説明では試料から放出される電子の出射角度について、電子ビームの光軸方向を９０度と定義する。反射電子の出射角度に応じて９０度付近を高角反射電子、４５度付近を中角反射電子、０度付近を低角反射電子と定義する。高角反射電子は主に試料の組成情報を、中角反射電子は試料の組成・形状情報両方を、低角反射電子は主に試料の立体形状情報をそれぞれ含んでいる。また中角反射電子は、発生数が高角・低角と比較して多いという特徴を持つ。 In the following description, the optical axis direction of the electron beam is defined as 90 degrees for the emission angle of the electrons emitted from the sample. Depending on the emission angle of the backscattered electrons, the vicinity of 90 degrees is defined as a high-angle reflected electron, the vicinity of 45 degrees is defined as a medium-angle reflected electron, and the vicinity of 0 degrees is defined as a low-angle reflected electron. The high-angle reflected electrons mainly contain the composition information of the sample, the medium-angle reflected electrons mainly contain both the composition and shape information of the sample, and the low-angle reflected electrons mainly contain the three-dimensional shape information of the sample. In addition, medium-angle reflected electrons have the characteristic that the number of generated electrons is larger than that of high-angle and low-angle electrons.
以下に、反射電子検出を行う場合であっても、高分解能化と高効率化の両立を実現する走査電子顕微鏡について説明する。より具体的には、ワーキングディスタンスの極小化のために、対物レンズと試料との間に検出器を配置することなく、低角度から中角度の広範囲方向に放出される電子の検出を可能とする走査電子顕微鏡について説明する。後述する実施例に記載の構成によれば、高分解能を維持したまま、中角以下の反射電子を高効率に検出することができる。 Hereinafter, a scanning electron microscope that achieves both high resolution and high efficiency even when detecting backscattered electrons will be described. More specifically, in order to minimize the working distance, it is possible to detect electrons emitted in a wide range from a low angle to a medium angle without placing a detector between the objective lens and the sample. The scanning electron microscope will be described. According to the configuration described in Examples described later, backscattered electrons having a medium angle or less can be detected with high efficiency while maintaining high resolution.
以下に説明する実施例では、例えば、一次荷電粒子線（電子ビーム）を発生する荷電粒子源と、前記荷電粒子線を試料上に収束させる磁場型対物レンズと、前記一次荷電粒子線を前記試料上で偏向するための偏向器を有し、磁場型対物レンズを構成する内側磁路先端を前記一次荷電粒子線光軸に対して傾斜して形成し、前記先端以外の内側磁路の内側に試料から放出された荷電粒子検出面及び荷電粒子を電気信号に変換する変換素子を有する荷電粒子線装置について説明する。前記荷電粒子検出面の内径は、内側磁路先端の内径よりも大きく、かつ偏向器内径よりも小さくはない。 In the examples described below, for example, a charged particle source that generates a primary charged particle beam (electron beam), a magnetic field type objective lens that converges the charged particle beam on a sample, and the primary charged particle beam are used as the sample. It has a deflector for deflecting above, and the tip of the inner magnetic path constituting the magnetic field type objective lens is formed so as to be inclined with respect to the primary charged particle beam optical axis, and is formed inside the inner magnetic path other than the tip. A charged particle beam device having a charged particle detection surface emitted from a sample and a conversion element for converting charged particles into an electric signal will be described. The inner diameter of the charged particle detection surface is larger than the inner diameter of the tip of the inner magnetic path and not smaller than the inner diameter of the deflector.
内側磁路の一部（先端部）を選択的に傾斜して形成することによって、試料から放出された低角・中角反射電子は、前記内側磁路に衝突せずに飛行するため、内側磁路先端の内径よりも大きく、かつ偏向器内径よりも小さくはない内径を持つ荷電粒子検出面において低中角反射電子を検出することが可能となる。また対物レンズ短焦点化を達成し、磁路内側に荷電粒子を電気信号に変換する素子を有するため小型化し顕微鏡鏡筒の大型化などを防ぎ高分解能化も同時に達成される。上記構成によれば、高分解能化と中角以下反射電子の高効率検出の両立が可能となる。 By selectively tilting a part (tip) of the inner magnetic path, the low-angle and medium-angle backscattered electrons emitted from the sample fly without colliding with the inner magnetic path, so that they are inside. It is possible to detect low and medium angle backscattered electrons on a charged particle detection surface having an inner diameter larger than the inner diameter of the tip of the magnetic path and not smaller than the inner diameter of the deflector. In addition, the objective lens has a shorter focal length, and since it has an element that converts charged particles into an electric signal inside the magnetic path, it is possible to reduce the size and prevent the microscope barrel from becoming large, and to achieve high resolution at the same time. According to the above configuration, it is possible to achieve both high resolution and high efficiency detection of backscattered electrons below the medium angle.
以下に図面を用いて、走査電子顕微鏡の概要について説明する。 The outline of the scanning electron microscope will be described below with reference to the drawings.
［実施例１］
本実施例を図１から図４を用いて説明する。図１は走査電子顕微鏡の概要を示す図である。真空環境である電子顕微鏡鏡筒１の内部に、電子源２が配置されており、前記電子源２から放出された一次電子線（電子ビーム）は、一次電子線光軸３に沿って飛行する。コイル５と、コイル５を包囲する外側磁路６、一次電子線光軸３に対して傾斜して配置された内側磁路７によって構成された対物レンズにより一次電子線は試料８上に収束される。コイルに電流を流すと、回転対称な磁力線が生まれ、内側磁路と外側磁路を磁力線が通過し、その磁力線がレンズギャップ（内側磁極先端と外側磁極先端との間）で漏洩磁場を発生されるため、当該漏洩磁場のレンズ作用によって一次電子線が試料上に収束される。
[Example 1]
This embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4. FIG. 1 is a diagram showing an outline of a scanning electron microscope. An
試料８には負電圧が印加されており、一次電子は電子源２で発生したときのエネルギーよりも小さいエネルギーで試料に衝突する。一次電子の衝突により試料から発生した信号電子９はそれぞれの出射エネルギー、出射角度に応じて電子顕微鏡鏡筒１内を飛行する。対物レンズ内側にシンチレータで構成された信号検出面１０が配置されており、信号検出面１０に信号電子９が衝突すると、シンチレータにより信号電子９は光に変換され、ライトガイド１１により光／電気変換素子１２に導光される。
A negative voltage is applied to the
信号検出面１０を構成するシンチレータは荷電粒子線入射により発光する物質であればＹＡＰやＹＡＧなどの単結晶でもよく、Ｐ４７などの粉体、ＧａＮ系の多層薄膜構造体などでもよい。また図１ではライトガイド１１がある場合を示したが、ライトガイド１１を用いずに直接光／電気変換素子１２をシンチレータ１０に取り付けた形態も可能である。光／電気変換素子１２は例えば光電子増倍管（ＰＭＴ）、フォトダイオード、Ｓｉ－ＰＭなどで構成される。導光された光は前記光／電気変換素子１２で電気信号に変換され、出力ケーブル１３で電子顕微鏡鏡筒１の外側に配置された信号処理回路１４に伝送される。前記電気信号は信号処理回路１４上にある増幅回路１４ａによって振幅の大きい電気信号に増幅され、演算回路１４ｂによって単位時間当たりの電気信号の大きさや頻度に応じて像のコントラストとして処理され、モニタ１５上に所定の階調値を持つ画素として表示される。前記信号電子検出を、一次電子線を偏向器４によって試料８上を走査しながら行い、モニタ１５上に試料表面の拡大二次元画像を表示する。
The scintillator constituting the
信号検出面１０は図１のように一次電子線光軸３に対して垂直に配置される場合もあれば、図２のように傾斜した場合、図３のように平行に配置される場合もある。信号検出面１０は各配置方法において平面でも曲面でもよい。これらにおいて信号電子の検出方法、画像生成は前記のように行われる。また信号検出面１０は図４（ａ）のように角度方向に多角形や扇形などの複数の領域に分割された構成や図４（ｂ）のように径の異なるリング状に分割された構成となることも可能である。図４（ａ）では４分割の例を示すが、図４（ａ）、（ｂ）ともに分割数に制限は無い。また図４（ａ）では小片検出面間に空間がある場合を示しているが、この空間の無い形状も可能である。これらの分割された信号検出面において、各信号検出面に対応して得られる電気信号を後段の回路で演算することで、信号電子の出射角度に基づいた陰影像などの異なるコントラストを持つ画像を取得できる。図４（ａ）、（ｂ）の小片信号検出面１０と光／電気変換素子１２の接続の仕方は一例であり、図４（ａ）であれば小片信号検出面１０の隙間に光／電気変換素子を配置する方法などが考えられる。
The
上記構成において、試料８に負電圧を印加する減速（リターディング）光学系、内側磁路７に正電圧を印加する加速（ブースティング）光学系が高分解化と反射電子検出の高効率化に効果的である。リターディング光学系では、一次電子が試料に入射する直前で試料に印加された負電圧により減速され、収束された一次電子線の入射角が大きくなり、収差が低減される。一方で信号電子に対しては加速電界として作用し、エネルギーの低い二次電子はリターディング電界により一次電子線光軸３に沿って飛行するようになり、同時にエネルギーの高い反射電子はあまり影響を受けず、電子顕微鏡鏡筒１内を様々な方向に飛行する。したがってリターディング電界による二次電子／反射電子の分離検出が可能となり、発生効率の高い二次電子に埋もれずに反射電子の検出が可能となる。
In the above configuration, the deceleration (retarding) optical system that applies a negative voltage to the
またブースティング光学系では、対物レンズ入射時の一次電子のエネルギーを一時的に高めることで、一次電子線内のエネルギー揺らぎの比率を小さくし、対物レンズによる収差を抑制することができる。同時に試料からの信号電子の引き上げ電界として作用するため、外側磁路６の下部に衝突していた信号電子を内側磁路７の内部に引き上げられるため、より広い角度範囲の反射電子が検出され、高効率化が達成できる。
Further, in the boosting optical system, by temporarily increasing the energy of the primary electron when it is incident on the objective lens, the ratio of the energy fluctuation in the primary electron beam can be reduced and the aberration caused by the objective lens can be suppressed. At the same time, since it acts as an electric field for pulling up signal electrons from the sample, the signal electrons colliding with the lower part of the outer
次に、本実施例のより具体的な作用、効果を、図面を用いて説明する。図９は図１に例示した走査電子顕微鏡の対物レンズ形状、及び検出器の配置条件を説明する図である。図９に例示するように、対物レンズの内側磁路は磁路先端部を含む内側磁路７（第２の内側磁路）と、それ以外の内側磁路を形成する第１の内側磁路９０５から構成されている。第１の内側磁路９０５の内壁面（ビーム通過筒を形成する面）は、一次電子線光軸３に対向するように形成されている。
Next, more specific actions and effects of this embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 9 is a diagram illustrating the objective lens shape of the scanning electron microscope exemplified in FIG. 1 and the arrangement conditions of the detector. As illustrated in FIG. 9, the inner magnetic path of the objective lens is the inner magnetic path 7 (second inner magnetic path) including the tip of the magnetic path and the first inner magnetic path forming the other inner magnetic path. It is composed of 905. The inner wall surface (the surface forming the beam passing cylinder) of the first inner
第２の内側磁路は、一次電子線光軸３に対し、傾斜する方向に長く、且つ一次電子線光軸３に向かって傾斜するように形成されている。また、図９のような断面図で表現したときに、第１の内側磁路９０５の磁束通過方向となる方向に対して、傾斜して形成されている。更に、内側磁路先端を通過すると共に、一次電子線光軸３に平行な方向に定義される仮想直線９０１より外側（第１の内側磁路９０５側）に信号検出面１０を位置させるように、検出器の構成部材が配置されている。仮想直線９０１は、内側磁路７の一次電子線光軸３に対向する対向面（一次電子線光軸３に最も近接する面）に沿って定義される。また、信号検出面１０の内径（ビーム通過開口径）は、内側磁路７の内径より大きな径を持つように形成されている。
The second inner magnetic path is formed so as to be long in the direction of inclination with respect to the primary electron beam
このような構成によれば、低角に放出される反射電子と、中角に放出される反射電子を高効率に検出することが可能となる。上記のような対物レンズ構造と、検出器の配置条件を併用することによって、このような構成を採用しない場合と比較して、矢印９０２方向に検出面を拡げることができ、且つ矢印９０３方向（試料方向）に検出面の位置を下げることができる。換言すれば、上述のような対物レンズ構造の採用によって、対物レンズの電子ビーム通路内に空間９０４を設けることができ、このような空間９０４に信号検出面１０を位置させることによって、特に低角に放出される反射電子と中角に放出される反射電子の軌道上に検出面を位置させることができ、結果として試料面の凹凸情報が高いレベルで表現された画像を生成することが可能となる。
With such a configuration, it is possible to detect the reflected electrons emitted at a low angle and the reflected electrons emitted at a medium angle with high efficiency. By using the objective lens structure as described above and the arrangement condition of the detector together, the detection surface can be expanded in the direction of
広い角度範囲に放出する電子を検出するためには、単に検出面を拡げるだけではなく、検出面を試料に近接する必要がある。これは同じ大きさの検出面であっても、試料（電子ビーム照射位置）に近い方が、検出面がカバーできる角度範囲が大きくなることによる。図９のような構成によれば、矢印９０２方向への検出面の拡張とカバー可能な放出角度範囲の拡大を合わせて実現することが可能となり、結果として上述のような効果を実現することが可能となる。また、単に検出面を拡げるのではなく、一次電子線光軸３から離軸する方向に検出面を拡張できるので、特にこれまで失われていた中角方向に放出される反射電子を検出することができ、より高いレベルで試料の凹凸状態を反映した画像を生成することが可能となる。
In order to detect electrons emitted over a wide angle range, it is necessary not only to expand the detection surface but also to bring the detection surface close to the sample. This is because even if the detection surface has the same size, the closer to the sample (electron beam irradiation position), the larger the angle range that the detection surface can cover. According to the configuration as shown in FIG. 9, it is possible to realize the expansion of the detection surface in the direction of the
［実施例２］
本実施例について、図５、６、７、１０、及び１１を用いて説明する。本実施例は低中角反射電子を検出する実施例１において、信号検出面１０、光／電気変換素子１２と信号処理回路１４を用いてエネルギー弁別を行うための構成例について説明する。信号検出面１０がシンチレータで構成される場合、図５のように信号検出面１０に入射する信号電子９のエネルギーに応じて発生フォトン数が変化する。シンチレータは、反射電子信号を光に変換する第１の変換素子となる。
[Example 2]
This embodiment will be described with reference to FIGS. 5, 6, 7, 10, and 11. This embodiment describes a configuration example for performing energy discrimination using the
この性質を利用し、シンチレータで発生したフォトン数に応じて光／電気変換素子１２で電気信号に変換し、演算回路１４で電気信号の出力値を読み取り、エネルギー弁別を行う。図６に信号電子検出から画像生成までの概略図を示す。試料８から発生した信号電子９が信号検出面１０に衝突すると、信号電子９のエネルギーに応じた数のフォトンが放出される。放出フォトン１６は図示しないライトガイドに導かれ、光／電気変換素子１２でフォトン数に応じた出力電気信号１７に変換され、出力電気信号１７は増幅回路１４ａで増幅され、増幅後出力電気信号１８となる。演算回路１４ｂで設定された出力の閾値に応じて電気信号を抽出し、その抽出電気信号１９の単位時間当たりの頻度で画像階調値を作成し、モニタ１５に伝送することで、エネルギー弁別をした場合の画像が生成される。
Utilizing this property, the optical /
図７に増幅後出力電気信号１８の強度と時間の関係図を示す。増幅後出力電気信号１８は様々な出力値を持つパルスとして発生するが、それらの出力信号の中で、演算回路１４ｂで設定された閾値よりも高い出力を持つもの、あるいは低い出力を持つものを選択して抽出することで、エネルギー弁別がなされる。エネルギー弁別により観察部の部分強調ができ、多様な計測が達成される。
FIG. 7 shows a relationship diagram between the intensity and time of the output
図１０に例示するように、ホールパターンの表面１００１と、底面１００２に同じ条件でビーム照射したとき、それぞれからエネルギーＥ２を持つ電子が反射したとしても、底面１００２で反射した反射電子１００４は、試料の一部を貫通する分、表面１００１から放出された反射電子１００３に比べて、エネルギーが低下（Ｅ１＝Ｅ２－ΔＥ）する。更に、Ｓｉ－ＰＭのような変換素子（第２の変換素子）は、エネルギー情報を反映したフォトン数に応じた電気信号を発生させることができるため、電気信号の弁別（分類）を行うことによって、パターンの特定部分を強調した画像を生成することが可能となる。
As illustrated in FIG. 10, when the
図１１はその原理を説明する図である。図５、１０にて説明したように、反射電子のエネルギーがＥ２のときはフォトン数がｎ個、エネルギーがＥ１のときはフォトン数がｍ個である場合、所定の閾値（Ｔｈ）によって両者を識別する。図１１に例示するように、所定の閾値以上の信号を抽出することによって、視野内の反射電子のエネルギーがＥ２の領域を選択的に抽出することができる。エネルギーがＥ２の反射電子は、試料表面１００１から放出されたものが多く、エネルギーＥ２の反射電子の検出に基づいて生成された画像は、試料表面１００１の情報が強く反映されている。
FIG. 11 is a diagram illustrating the principle. As described with reference to FIGS. 5 and 10, when the energy of the backscattered electron is E2, the number of photons is n, and when the energy is E1, the number of photons is m, both are set by a predetermined threshold value (Th). Identify. As illustrated in FIG. 11, by extracting a signal having a predetermined threshold value or more, the region where the energy of the reflected electrons in the visual field is E2 can be selectively extracted. Most of the backscattered electrons with energy E2 are emitted from the
他のエネルギーを持つ反射電子信号を除外した信号波形（Ｂ）は、試料表面情報を特に強く反映した画像となっている。一方、エネルギーがＥ１の反射電子の検出に基づいて生成された画像は、底面１００２の情報が強く反映されているため、底面１００２の情報が強く反映された信号（Ａ）から、試料表面を示す信号（Ｂ）を減算することによって、底面１００２を強調した画像を生成することが可能となる。
The signal waveform (B) excluding the reflected electron signal having other energy is an image that strongly reflects the sample surface information. On the other hand, since the image generated based on the detection of the backscattered electron having the energy of E1 strongly reflects the information on the
図１１は単一の閾値（Ｔｈ）によって、信号を２つに弁別する例について説明したが、例えば上層、中層、下層の少なくとも３つの異なる高さのパターンが含まれる立体構造を評価対象とする場合には、パターンがより深くなるにつれて、反射電子のエネルギーの減衰の程度も大きくなると考えられるため、上層と中層を弁別する第１の閾値（Ｔｈ１）、中層と下層を弁別する第２の閾値（Ｔｈ２）を設けることによって、特に強調したい層を抽出するような減算処理を行うようにしても良い。また、図１１の例では、閾値（Ｔｈ）以下の信号を除外することによって、上層側の信号を強調した画像を生成する例について説明したが、閾値（Ｔｈ）を超えた信号を除外することによって、相対的に下層側の情報を強調するような処理を行うようにしても良い。 FIG. 11 describes an example of discriminating a signal into two by a single threshold value (Th). For example, a three-dimensional structure including at least three patterns of different heights of an upper layer, a middle layer, and a lower layer is evaluated. In some cases, the deeper the pattern, the greater the degree of attenuation of the energy of the backscattered electrons. Therefore, the first threshold value (Th1) for discriminating between the upper layer and the middle layer and the second threshold value for discriminating between the middle layer and the lower layer. By providing (Th2), a subtraction process for extracting a layer to be particularly emphasized may be performed. Further, in the example of FIG. 11, an example of generating an image in which the signal on the upper layer side is emphasized by excluding the signal below the threshold value (Th) has been described, but the signal exceeding the threshold value (Th) is excluded. Depending on the method, processing may be performed to emphasize the information on the lower layer side relatively.
上述のような処理を演算回路１４ｂ（プロセッサ）で実行することによって、エネルギーフィルタやスペクトロメータのような真空領域内に配置される光学素子を用いることなく、演算によるエネルギー弁別を行うことが可能となる。
By executing the above-mentioned processing in the
本実施例ではエネルギーの高低のみで説明したが、ある領域内の出力値を持つ電気信号を抽出することも可能であり、反射電子のエネルギーに対して、ハイパス、ローパス、バンドパスが可能である。 In this embodiment, only the high and low energies have been described, but it is also possible to extract an electric signal having an output value within a certain region, and high-pass, low-pass, and band-pass are possible for the energy of the backscattered electrons. ..
また取得したいエネルギー領域の設定方法についても手段は複数ある。例えば、あらかじめ取得したい信号電子エネルギーの領域を選択し、その範囲にある出力値を持つ電気信号のみをカウントし、モニタ上に表示する。または画素ごとにすべての出力値を記録しておき、一次電子走査終了後にエネルギー領域を選択してその範囲にある出力値を持つ電気信号から画像を生成するなどである。 In addition, there are multiple means for setting the energy region to be acquired. For example, a region of signal electronic energy to be acquired in advance is selected, and only electric signals having an output value within that range are counted and displayed on the monitor. Alternatively, all output values are recorded for each pixel, an energy region is selected after the primary electron scan is completed, and an image is generated from an electric signal having an output value within that range.
光／電気変換素子１２はファノ因子の小さい半導体型素子であるフォトダイオード（ＰＤ（特にアバランシェフォトダイオード：ＡＰＤ））やＳｉ－ＰＭ（シリコンフォトマルチプライヤ）などの利用が望ましい。これらの素子は出力ばらつきが小さく、入射フォトン数を電気信号の出力値に反映させることができる。一方、電子顕微鏡で一般的に用いられている光／電気変換素子１２の光電子増倍管（ＰＭＴ）は出力ばらつきが大きく、入射フォトン数によらない出力値を持つ電気信号を発生させるため、望ましくない。
As the optical /
これらの素子で構成した場合、エネルギーフィルタや分光器など、他の機器を使用することなくエネルギー弁別が可能となるため、他のエネルギー弁別可能な検出器と比較して構成が容易であるという利点を持つ。 When composed of these elements, energy discrimination is possible without using other equipment such as an energy filter and a spectroscope, so there is an advantage that the configuration is easier than other energy discriminable detectors. have.
［実施例３］
本実施例について、図８を用いて説明する。図８に、信号検出面１０を径の異なるシンチレータで構成した検出面の下面図を示す。信号検出面１０を、発光波長や発光量の異なるいくつかのシンチレータを径の異なるリング（２０、２１）で構成する。分割数は効果のある範囲で３分割以上もありえる。光／電気変換素子１２を用いて、分光あるいはフォトンカウンティングを行うと、検出した波長・信号量に対応した検出面位置から出射角度弁別が可能となる。
[Example 3]
This embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows a bottom view of the detection surface in which the
実施例１ではリング状に分割した各信号検出面１０に対応した光／電気変換素子１２を置く構成例を示したが、本実施例では、分割した各信号検出面１０を構成するシンチレータの発光特性を変えることで出射角度弁別をすることを示している。
In Example 1, a configuration example in which an optical /
１…電子顕微鏡鏡筒、２…電子源、３…一次電子線光軸、４…偏向器、５…コイル、６…外側磁路、７…内側磁路、８…試料、９…信号電子、１０…信号検出面、１１…ライトガイド、１２…光／電気変換素子、１３…出力ケーブル、１４…信号処理回路、１４ａ…増幅回路、１４ｂ…演算回路、１５…モニタ、１６…放出フォトン、１７…出力電気信号、１８…増幅後出力電気信号、１９…抽出電気信号、２０…外側リング状信号検出面、２１…内側リング状信号検出面 1 ... electron microscope barrel, 2 ... electron source, 3 ... primary electron beam optical axis, 4 ... deflector, 5 ... coil, 6 ... outer magnetic path, 7 ... inner magnetic path, 8 ... sample, 9 ... signal electron, 10 ... signal detection surface, 11 ... light guide, 12 ... optical / electrical conversion element, 13 ... output cable, 14 ... signal processing circuit, 14a ... amplifier circuit, 14b ... arithmetic circuit, 15 ... monitor, 16 ... emission photon, 17 ... Output electrical signal, 18 ... Output electrical signal after amplification, 19 ... Extraction electrical signal, 20 ... Outer ring-shaped signal detection surface, 21 ... Inner ring-shaped signal detection surface
Claims (19)
前記対物レンズは、コイルを包囲するように形成された内側磁路と外側磁路を含み、前記内側磁路は、前記荷電粒子ビームの光軸に対向する位置に配置される第１の内側磁路と、前記荷電粒子ビームの光軸に向かって傾斜して形成され、磁路先端を含む第２の内側磁路から構成され、
前記検出器は、前記後方散乱電子を検出するシンチレータと、当該シンチレータでの前記後方散乱電子の検出によって得られる光を電気信号に変換するシリコンフォトマルチプライヤを有し、
前記シンチレータおよび前記シリコンフォトマルチプライヤは、
前記第１の内側磁路と、前記磁路先端を通過すると共に前記荷電粒子ビーム光軸に平行な仮想直線との間の空間であって、前記第１の内側磁路の上端よりも前記試料側の空間に配置され、
前記検出器は、前記荷電粒子ビームの光軸に対して少なくとも４５度を含む出射角度で前記試料から放出された後方散乱電子を検出し、
所定領域内の出力値を持つ電気信号を選択的に抽出する演算を行うことによって、所定領域内のエネルギー値を持つ後方散乱電子を選択的に抽出した画像を生成する演算処理装置を更に備えた
ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 In a charged particle beam device equipped with an objective lens that focuses a charged particle beam emitted from a charged particle source and a detector that detects backward scattered electrons emitted from the sample.
The objective lens includes an inner magnetic path and an outer magnetic path formed so as to surround the coil, and the inner magnetic path is a first inner magnetic path arranged at a position facing the optical axis of the charged particle beam. It is composed of a path and a second inner magnetic path that is formed at an angle toward the optical axis of the charged particle beam and includes the tip of the magnetic path.
The detector has a scintillator that detects the backscattered electrons and a silicon photomultiplier that converts the light obtained by the detection of the backscattered electrons by the scintillator into an electric signal.
The scintillator and the silicon photomultiplier
The space between the first inner magnetic path and the virtual straight line that passes through the tip of the magnetic path and is parallel to the optical axis of the charged particle beam, and is the sample from the upper end of the first inner magnetic path. Placed in the space on the side ,
The detector detects backscattered electrons emitted from the sample at an emission angle that includes at least 45 degrees with respect to the optical axis of the charged particle beam .
Further equipped with an arithmetic processing device that generates an image in which backscattered electrons having an energy value in a predetermined region are selectively extracted by performing an operation for selectively extracting an electric signal having an output value in a predetermined region.
A charged particle beam device characterized by that.
前記検出器は、前記光を前記シリコンフォトマルチプライヤに導光する導光部材を有し、
前記導光部材は、前記第１の内側磁路と前記仮想直線との間の空間であって、前記第１の内側磁路の上端よりも前記試料側の空間に配置されることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 In claim 1,
The detector has a light guide member that guides the light to the silicon photomultiplier .
The light guide member is a space between the first inner magnetic path and the virtual straight line, and is characterized in that it is arranged in a space on the sample side of the upper end of the first inner magnetic path. Charged particle beam device.
前記シンチレータは、前記荷電粒子ビームに対して垂直に配置されることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 In claim 1,
The scintillator is a charged particle beam device characterized in that it is arranged perpendicular to the charged particle beam.
前記シンチレータは、前記荷電粒子ビームに対して平行に配置されることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 In claim 1,
The scintillator is a charged particle beam device characterized in that it is arranged in parallel with the charged particle beam.
前記シンチレータは、前記荷電粒子ビームに対して傾斜して配置されることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 In claim 1,
The scintillator is a charged particle beam device characterized in that the scintillator is arranged at an angle with respect to the charged particle beam.
前記荷電粒子ビームを偏向する偏向器を備え、
前記シンチレータおよび前記シリコンフォトマルチプライヤは、前記偏向器よりも試料側に配置されることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 In claim 1,
A deflector for deflecting the charged particle beam is provided.
The charged particle beam device, wherein the scintillator and the silicon photomultiplier are arranged on the sample side with respect to the deflector.
前記第２の内側磁路には、前記荷電粒子ビームを加速するための正電圧が印加されることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 In claim 1,
A charged particle beam device, characterized in that a positive voltage for accelerating the charged particle beam is applied to the second inner magnetic path.
前記シリコンフォトマルチプライヤから出力される電気信号を真空空間外に伝達する出カケーブルを備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 In claim 1,
A charged particle beam device including an output cable that transmits an electric signal output from the silicon photomultiplier to the outside of a vacuum space.
前記シンチレータは複数の領域に分割されていることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 In claim 1,
The scintillator is a charged particle beam device characterized in that it is divided into a plurality of regions.
前記複数の領域は角度方向に分割されていることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 In claim 10,
A charged particle beam device, characterized in that the plurality of regions are divided in an angular direction.
前記複数の領域は径方向に分割されていることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 In claim 10,
A charged particle beam device characterized in that the plurality of regions are divided in the radial direction.
前記複数の領域は、角度、径方向ともに分割されていることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 In claim 10,
A charged particle beam device characterized in that the plurality of regions are divided in both an angle and a radial direction.
前記シンチレータおよび前記シリコンフォトマルチプライヤは、前記第２の内側磁路より前記荷電粒子源側に配置されることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 In claim 1,
A charged particle beam device, wherein the scintillator and the silicon photomultiplier are arranged on the charged particle source side of the second inner magnetic path.
前記検出器は、前記荷電粒子ビームを通過させる開口を有し、
前記シンチレータは、前記開口の側壁に面状に配置されることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 In claim 1,
The detector has an aperture through which the charged particle beam passes.
The scintillator is a charged particle beam device characterized in that it is arranged in a plane on the side wall of the opening.
前記シンチレータは、前記側壁の全面であることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 In claim 15 .
The scintillator is a charged particle beam device, characterized in that it covers the entire surface of the side wall.
前記シンチレータの内径は、前記偏向器の内径以上の大きさであることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 In claim 6,
A charged particle beam device having an inner diameter of the scintillator larger than the inner diameter of the deflector.
前記シンチレータの内径は、前記磁路先端の内径より大きいことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 In claim 1,
A charged particle beam device characterized in that the inner diameter of the scintillator is larger than the inner diameter of the tip of the magnetic path.
前記検出器は、さらに、前記荷電粒子ビームの光軸に対して９０度の出射角度で前記試料から放出された後方散乱電子を検出することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 In claim 1 ,
The detector is a charged particle beam device that further detects backscattered electrons emitted from the sample at an emission angle of 90 degrees with respect to the optical axis of the charged particle beam.
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