WO2018173242A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

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俊介 水谷
シャヘドゥル ホック
宇輝 池田
鈴木　誠
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株式会社 日立ハイテクノロジーズ
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Definitions

  • the present disclosure relates to a charged particle beam apparatus that detects charged particles emitted from a sample by irradiating the sample with a charged particle beam, and in particular, is emitted in a relative angle direction with respect to the optical axis of the charged particle beam.
  • the present invention relates to a charged particle beam device that detects charged particles.
  • a scanning electron microscope which is an embodiment of a charged particle beam apparatus, is an apparatus that generates an image or a signal waveform based on detection of secondary electrons or the like obtained by irradiating an electron beam toward a sample.
  • reflected electrons backscattered electrons
  • Patent Document 1 reflected electrons emitted in a small angle (low angle) direction with respect to the sample surface are guided onto the objective lens by using the leakage magnetic field of the objective lens that leaks the focused magnetic field toward the sample.
  • a scanning electron microscope is disclosed for detection by a detector arranged in orbit.
  • Patent Document 2 discloses a scanning electron microscope in which an acceleration tube for temporarily accelerating an electron beam is provided in a beam path of an objective lens, and a backscattered electron detector is installed in the acceleration tube. Patent Document 2 describes a method for discriminating and detecting secondary electrons and reflected electrons using a phenomenon that there is a difference between the focusing action of the objective lens on the reflected electrons and the focusing action on the secondary electrons.
  • Patent No. 5860642 corresponds US Pat. No. 9,029,766
  • the amount of reflected electrons is generally smaller than that of secondary electrons, and a sufficient signal amount for performing observation, measurement or inspection with high accuracy may not be obtained.
  • a sufficient amount of signal it is conceivable to increase the irradiation time of the electron beam and the probe current, but the time required for observation and the charge amount based on the beam irradiation increase, so the low dose is maintained.
  • Patent Document 1 a certain amount of low-angle reflected electrons can be detected by introducing reflected electrons to a detector disposed on the objective lens by the leakage magnetic field of the objective lens.
  • the detection angle range that can be covered is limited.
  • the configuration disclosed in Patent Document 1 is limited to high efficiency detection.
  • Patent Document 2 since the detection surface of the detector is provided in the acceleration tube for accelerating the electron beam, the size of the detection surface is limited.
  • the size of the detection surface is smaller than the inner diameter of the tip of the inner magnetic path of the objective lens. Electron detection efficiency decreases. In addition, since the magnetic path has a hole, parasitic aberrations and variations in processing accuracy of the objective lens occur, which hinders high resolution.
  • a charged particle beam apparatus comprising an objective lens for focusing a charged particle beam emitted from a charged particle source and a detector for detecting charged particles emitted from a 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 disposed at a position facing the optical axis of the charged particle beam.
  • a charged particle beam device is proposed in which the detection surface of the detector is arranged outside a virtual straight line parallel to the.
  • charged particles emitted from a sample can be detected with high efficiency over a wide range from a low angle to a medium angle.
  • FIG. 3 Schematic of a scanning electron microscope.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of the arrangement of signal detection surfaces 10.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of the arrangement of signal detection surfaces 10.
  • FIG. 3 is a bottom view showing the configuration of the signal detection surface 10.
  • the figure explaining the flow of signal processing of signal electrons.
  • the figure explaining the image processing process which emphasizes the detection signal information of desired energy based on the energy discrimination of a detection signal.
  • the structure of semiconductor devices has been reduced in size and 3D, and the evaluation values required by customers who are semiconductor device manufacturers have diversified.
  • the device structure becomes 3D there is a need to measure the hole or groove shape bottom dimension on the semiconductor substrate with high accuracy in order to improve the yield.
  • signal electrons with various energies are emitted in various directions due to the interaction between the electrons and the sample.
  • the signal electrons have different information about the sample according to the emission energy and the emission angle, and the detection detection of the signal electrons is indispensable for various measurements.
  • signal electrons emitted with energy of 50 eV or less are called secondary electrons, and signal electrons emitted with energy larger than that and close to the energy of the primary electron beam are called reflected electrons, and signal electrons are distinguished.
  • Secondary electrons are sensitive to the surface shape and potential potential of the sample, and are effective in measuring the dimensions of the surface structure such as the pattern width of the semiconductor device structure, but are absorbed by the side walls for 3D structures such as holes and grooves. It is not possible to escape from the hole / groove, and detection and measurement cannot be performed.
  • the backscattered electrons contain information on the sample composition and three-dimensional shape, and information such as the 3D structure and the difference in composition between the surface and the bottom can be obtained. And can be used for signal detection and measurement from the bottom of the hole / groove structure.
  • the optical axis direction of the electron beam is defined as 90 degrees with respect to the emission angle of the electrons emitted from the sample.
  • the vicinity of 90 degrees is defined as a high angle reflected electron, the vicinity of 45 degrees as a medium angle reflected electron, and the vicinity of 0 degree as a low angle reflected electron.
  • High angle reflected electrons mainly include sample composition information
  • medium angle reflected electrons mainly include both sample composition and shape information
  • low angle reflected electrons mainly include sample three-dimensional shape information.
  • the medium angle reflected electrons are characterized in that the number of generated electrons is larger than that of the high angle and the low angle.
  • 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 that is the sample.
  • An inner magnetic path tip constituting a magnetic field type objective lens is inclined with respect to the optical axis of the primary charged particle beam, and is formed inside the inner magnetic path other than the tip.
  • a charged particle beam apparatus having a charged particle detection surface emitted from a sample and a conversion element that converts the 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 inner magnetic path tip and not smaller than the deflector inner diameter.
  • Low-medium angle reflected electrons can be detected on a charged particle detection surface having an inner diameter larger than the inner diameter of the magnetic path tip and not smaller than the inner diameter of the deflector.
  • the focal length of the objective lens can be shortened, and an element for converting charged particles into an electric signal is provided on the inner side of the magnetic path, so that the size can be reduced and the size of the microscope barrel can be prevented. According to the above configuration, it is possible to achieve both high resolution and high-efficiency detection of reflected electrons below the middle angle.
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of a scanning electron microscope.
  • An electron source 2 is arranged inside an electron microscope column 1 which is a vacuum environment, and a primary electron beam (electron beam) emitted from the electron source 2 flies along the primary electron beam optical axis 3. .
  • the primary electron beam is converged on the sample 8 by an objective lens constituted by the coil 5, the outer magnetic path 6 surrounding the coil 5, and the inner magnetic path 7 arranged to be inclined with respect to the primary electron beam optical axis 3.
  • The When an electric current is passed through the coil, magnetic field lines that are rotationally symmetric are generated, and the magnetic field lines pass through the inner magnetic path and the outer magnetic path. Therefore, the primary electron beam is focused on the sample by the lens action of the leakage magnetic field.
  • a negative voltage is applied to the sample 8, and the primary electrons collide with the sample with an energy smaller than the energy generated in the electron source 2.
  • the signal electrons 9 generated from the sample by the collision of the primary electrons fly in the electron microscope barrel 1 according to the respective emission energy and emission angle.
  • a signal detection surface 10 composed of a scintillator is disposed inside the objective lens. When the signal electrons 9 collide with the signal detection surface 10, the signal electrons 9 are converted into light by the scintillator, and optical / electrical conversion is performed by the light guide 11. The light is guided to the element 12.
  • the scintillator constituting the signal detection surface 10 may be a single crystal such as YAP or YAG as long as it is a substance that emits light when charged particle beam is incident, and may be a powder such as P47 or a GaN-based multilayer thin film structure.
  • FIG. 1 shows the case where the light guide 11 is provided, a configuration in which the light / electric conversion element 12 is directly attached to the scintillator 10 without using the light guide 11 is also possible.
  • the photoelectric conversion element 12 is composed of, for example, a photomultiplier tube (PMT), a photodiode, Si-PM, or the like.
  • the guided light is converted into an electrical signal by the optical / electrical conversion element 12 and transmitted to the signal processing circuit 14 disposed outside the electron microscope barrel 1 by the output cable 13.
  • the electric signal is amplified to an electric signal having a large amplitude by an amplifier circuit 14a on the signal processing circuit 14, and is processed as an image contrast by the arithmetic circuit 14b in accordance with the magnitude and frequency of the electric signal per unit time. It is displayed as a pixel having a predetermined gradation value.
  • the signal electron detection is performed while scanning the sample 8 with the deflector 4 by the primary electron beam, and an enlarged two-dimensional image of the sample surface is displayed on the monitor 15.
  • the signal detection surface 10 may be arranged perpendicular to the primary electron beam optical axis 3 as shown in FIG. 1, or may be arranged parallel to the signal detection surface 10 when tilted as shown in FIG. is there.
  • the signal detection surface 10 may be a flat surface or a curved surface in each arrangement method. In these, the signal electron detection method and image generation are performed as described above. Further, the signal detection surface 10 is divided into a plurality of regions such as polygons and sectors in the angular direction as shown in FIG. 4A, or is divided into rings having different diameters as shown in FIG. 4B. It is also possible.
  • FIG. 4A shows an example of four divisions, there is no limitation on the number of divisions in both FIGS. 4A and 4B.
  • FIG. 4A shows an example of four divisions
  • 4A shows a case where there is a space between the small piece detection surfaces, but a shape without this space is also possible.
  • an electric signal obtained corresponding to each signal detection plane is calculated by a subsequent circuit, so that an image having a different contrast such as a shadow image based on the emission angle of the signal electrons can be obtained. You can get it.
  • 4 (a) and 4 (b) is an example of the connection method between the small signal detection surface 10 and the optical / electrical conversion element 12, and in FIG. A method of arranging a conversion element is conceivable.
  • the deceleration (retarding) optical system that applies a negative voltage to the sample 8 and the acceleration (boosting) optical system that applies a positive voltage to the inner magnetic path 7 achieve high resolution and high efficiency of backscattered electron detection. It is effective.
  • the retarding optical system the primary electron beam is decelerated by the negative voltage applied to the sample immediately before entering the sample, the incident angle of the converged primary electron beam is increased, and the aberration is reduced.
  • it acts as an accelerating electric field for signal electrons, and secondary electrons with low energy will fly along the optical axis 3 of the primary electron beam due to the retarding electric field, and reflected electrons with high energy will have less influence at the same time. Without flying, the inside of the electron microscope barrel 1 flies in various directions. Therefore, secondary electrons / reflected electrons can be separated and detected by a retarding electric field, and reflected electrons can be detected without being buried in secondary electrons having high generation efficiency.
  • the boosting optical system by temporarily increasing the energy of the primary electrons at the entrance of 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.
  • the signal electrons that have collided with the lower part of the outer magnetic path 6 are pulled into the inner magnetic path 7, so that reflected electrons in a wider angle range are detected, High efficiency can be achieved.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the objective lens shape of the scanning electron microscope exemplified in FIG. 1 and the arrangement conditions of the detector.
  • the inner magnetic path of the objective lens includes an inner magnetic path 7 (second inner magnetic path) including a magnetic path tip, and a first inner magnetic path that forms the other inner magnetic path. 905.
  • the inner wall surface of the first inner magnetic path 905 (the surface forming the beam passage cylinder) is formed to face the primary electron beam optical axis 3.
  • the second inner magnetic path is formed so as to be long with respect to the primary electron beam optical axis 3 and tilted toward the primary electron beam optical axis 3. Further, when expressed in a cross-sectional view as shown in FIG. 9, the first inner magnetic path 905 is formed so as to be inclined with respect to the direction of the magnetic flux passing direction. Furthermore, the signal detection surface 10 is positioned outside the imaginary straight line 901 defined in the direction parallel to the primary electron beam optical axis 3 (on the first inner magnetic path 905 side) while passing through the tip of the inner magnetic path. The constituent members of the detector are arranged.
  • the virtual straight line 901 is defined along a facing surface (a surface closest to the primary electron beam optical axis 3) facing the primary electron beam optical axis 3 of the inner magnetic path 7. Further, the inner diameter (beam passage opening diameter) of the signal detection surface 10 is formed to be larger than the inner diameter of the inner magnetic path 7.
  • the detection surface can be expanded in the direction of the arrow 902 and the direction of the arrow 903 ( The position of the detection surface can be lowered in the direction of the sample.
  • a space 904 can be provided in the electron beam path of the objective lens, and by positioning the signal detection surface 10 in such a space 904, a particularly low angle is provided.
  • the detection surface can be positioned on the trajectory of the backscattered electrons and the backscattered electrons emitted in the middle angle, and as a result, it is possible to generate an image in which the unevenness information on the sample surface is expressed at a high level. Become.
  • the detection surface In order to detect electrons emitted in 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 angle range that can be covered by the detection surface becomes larger near the sample (electron beam irradiation position). 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 arrow 902 and the expansion of the discharge angle range that can be covered. It becomes possible.
  • the detection surface can be expanded in a direction away from the primary electron beam optical axis 3 instead of simply expanding the detection surface. It is possible to generate an image reflecting the uneven state of the sample at a higher level.
  • FIG. 6 shows a schematic diagram from signal electron detection to image generation.
  • the signal electrons 9 generated from the sample 8 collide with the signal detection surface 10 a number of photons corresponding to the energy of the signal electrons 9 are emitted.
  • the emitted photons 16 are guided to a light guide (not shown), converted into an output electrical signal 17 corresponding to the number of photons by the optical / electrical conversion element 12, and the output electrical signal 17 is amplified by the amplifier circuit 14a. It becomes.
  • An electric signal is extracted according to the output threshold value set by the arithmetic circuit 14b, an image gradation value is generated at a frequency per unit time of the extracted electric signal 19, and transmitted to the monitor 15, whereby energy discrimination is performed. In this case, an image is generated.
  • FIG. 7 shows a relationship between the intensity of the output electric signal 18 after amplification and time.
  • the amplified output electrical signal 18 is generated as pulses having various output values. Among those output signals, those having an output higher than the threshold set by the arithmetic circuit 14b or those having a lower output are used. By selecting and extracting, energy discrimination is made. The energy discrimination makes it possible to emphasize the observation area and achieve various measurements.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the principle. As described in FIGS. 5 and 10, when the energy of the reflected electrons is E2, the number of photons is n, and when the energy is E1, the number of photons is m. Identify. As illustrated in FIG. 11, by extracting a signal having a predetermined threshold value or more, it is possible to selectively extract a region where the energy of reflected electrons in the field of view is E2. Many of the reflected electrons with energy E2 are emitted from the sample surface 1001, and the information generated on the basis of detection of the reflected electrons with energy E2 strongly reflects the information on the sample surface 1001.
  • the signal waveform (B) excluding the reflected electron signal having other energy is an image that particularly strongly reflects the sample surface information.
  • the image generated based on the detection of the backscattered electrons whose energy is E1 reflects the information on the bottom surface 1002 strongly, and thus shows the sample surface from the signal (A) in which the information on the bottom surface 1002 is strongly reflected.
  • By subtracting the signal (B), an image in which the bottom surface 1002 is emphasized can be generated.
  • FIG. 11 illustrates an example in which a signal is discriminated into two by a single threshold (Th), for example, a three-dimensional structure including at least three different height patterns of an upper layer, a middle layer, and a lower layer is an evaluation target.
  • Th a single threshold
  • Th2 a subtraction process for extracting a layer to be particularly emphasized may be performed.
  • FIG. 11 the example in which an image in which the upper layer side signal is emphasized by excluding the signal below the threshold (Th) has been described, but the signal exceeding the threshold (Th) is excluded.
  • processing for relatively emphasizing information on the lower layer side may be performed.
  • the arithmetic circuit 14b By executing the processing as described above by the arithmetic circuit 14b (processor), it is possible to perform energy discrimination by calculation without using an optical element arranged in a vacuum region such as an energy filter or a spectrometer. Become.
  • a region of signal electron energy desired to be acquired in advance is selected, and only electric signals having output values within that range are counted and displayed on the monitor.
  • all output values are recorded for each pixel, an energy region is selected after the end of primary electron scanning, and an image is generated from an electrical signal having an output value within that range.
  • the photo / electric conversion element 12 is desirably a photodiode (PD (particularly an avalanche photodiode: APD)) or Si-PM (silicon photomultiplier) which is a semiconductor type element having a small Fano factor. These elements have small output variations, and the number of incident photons can be reflected in the output value of the electric signal.
  • the photomultiplier tube (PMT) of the optical / electrical conversion element 12 generally used in an electron microscope has a large output variation, which is desirable because it generates an electric signal having an output value independent of the number of incident photons. Absent.
  • FIG. 8 shows a bottom view of the detection surface in which the signal detection surface 10 is composed of scintillators with different diameters.
  • the signal detection surface 10 is made up of several scintillators with different emission wavelengths and emission amounts of rings (20, 21) with different diameters. The number of divisions can be three or more as long as it is effective.
  • the emission angle can be discriminated from the detection surface position corresponding to the detected wavelength / signal amount.
  • SYMBOLS 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, DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Signal detection surface, 11 ... Light guide, 12 ... Optical / electrical conversion element, 13 ... Output cable, 14 ... Signal processing circuit, 14a ... Amplification circuit, 14b ... Arithmetic circuit, 15 ... Monitor, 16 ... Emission photon, 17 ... output electric signal, 18 ... amplified output electric signal, 19 ... extracted electric signal, 20 ... outer ring signal detection surface, 21 ... inner ring signal detection surface

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Abstract

本発明は、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荷電粒子線装置の提供を目的とする。そのために本発明によれば、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（５）を包囲するように形成された内側磁路と外側磁路（６）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（９０５）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（７）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（９０１）より外側に、前記検出器の検出面（１０）が配置される荷電粒子線装置を提案する。

Description

荷電粒子線装置
　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。
　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。
特開２００１－１１０３５１号公報（対応米国特許ＵＳＰ６，５５５，８１９） 特許第５８６０６４２号（対応米国特許ＵＳＰ９，０２９，７６６）
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
走査電子顕微鏡の概略図。 信号検出面１０の配置の一例を示す断面図。 信号検出面１０の配置の一例を示す断面図。 信号検出面１０の構成を示す下面図。 シンチレータの発生フォトン数と電子入射エネルギーの関係を示す図。 信号電子の信号処理の流れを説明する図。 出力電気信号の強度と時間の関係を示す図。 ２種類の検出面を持つ信号検出面１０の一例を示す図。 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。 ビームの照射位置に応じて、反射電子のエネルギーが変化する例を説明する図。 検出信号のエネルギー弁別に基づいて、所望のエネルギーの検出信号情報を強調する画像処理工程を説明する図。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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

Claims (17)

  1. 　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において、
    　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、
    　前記検出面は、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線装置。
  3. 　請求項１において、
    　前記検出面で検出した信号を電気信号に変換する変換素子を備え、当該変換素子は前記仮想直線と前記第１の内側磁路との間に配置され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、
    　前記荷電粒子ビームを偏向する偏向器を備え、前記検出面の内径は、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線装置。
  5. 　請求項１において、
    　前記検出面の内径は、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線装置。
  6. 　請求項１において、
    　前記荷電粒子ビームを偏向する偏向器を備え、前記検出面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線装置。
  7. 　請求項１において、
    　前記検出面は前記荷電粒子ビームを通過させる開口を備えた円盤型であり、当該円盤の側面には前記検出面での荷電粒子の検出によって得られる光を電気信号に変換する素子が設けられていることを特徴とする荷電粒子線装置。
  8. 　請求項１において、
    　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線装置。
  9. 　請求項１において、
    　前記検出面はシンチレータであって、前記仮想直線と前記第１の内側磁路との間に配置される前記シンチレータで発生した光を変換する変換素子と、当該変換素子から出力される電気信号を真空空間外に伝達する出力ケーブルを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
  10. 　請求項１において、
    　前記検出面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線装置。
  11. 　請求項１０において、
    　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線装置。
  12. 　請求項１０において、
    　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線装置。
  13. 　請求項１０において、
    　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線装置。
  14. 　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において、
    　前記検出器の出力の前記検出された荷電粒子のエネルギーに応じた分類に基づいて、画像を生成する演算処理装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
  15. 　請求項１４において、
    　前記検出器は、検出された信号を光に変換する第１の変換素子を含み、前記演算処理装置は、当該変換素子が出力する光の強度に応じて、前記分類を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
  16. 　請求項１５において、
    　前記検出器は、前記変換素子が出力する光信号を、電気信号に変換する第２の変換素子を含み、前記演算処理装置は、前記電気信号の強度に応じて、前記分類を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
  17. 　請求項１６において、
    　前記第２の変換素子は、フォトダイオード、或いはシリコンフォトマルチプライヤであることを特徴とする荷電粒子線装置。
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