JP4920385B2 - 荷電粒子ビーム装置、走査型電子顕微鏡、及び試料観察方法 - Google Patents

Description

本発明は、回路パターンを有する基板製造技術に係り、特に、荷電粒子ビームにより微細な回路パターンを検査する荷電粒子ビーム検査技術に関する。

走査型電子顕微鏡は、電子源から放出された一次電子を加速し、対物レンズで集束させ一次電子線を細く絞り、走査偏向器を用いて一次電子線を試料上で走査し、一次電子線の照射で試料から発生する二次信号を検出し、この検出信号強度を観察像として表示させる装置である。
コントラストの高い観察像を取得するためには、二次信号を効率よく検出することが求められる。二次信号を光軸外に設置した検出器に効率よく検出するためには、電磁場を光軸上に印加して二次信号を偏向させる必要がある。しかし、この電磁場は一次電子線の収差を増大させる。そのため、高い倍率で拡大した高分解能の観察像を取得するためには、一次電子線の収差を小さくする必要がある。したがって電子源から試料上に集束するまでの間の光軸上で発生する一次電子線の収差を抑制しなければならない。

特許文献1では、二次信号を効率よく検出するために、二次電子を一次電子線の軸外に偏向させる偏向器を用いて、二次電子と反射電子の軌道を分離し、二次電子と反射電子を選択的に検出する技術が開示されている。

特許文献2は、二次電子偏向場が与える一次電子線の収差量を小さくし、かつ二次電子を効率よく検出する例である。特許文献2では、一次電子線を通過させる開口を設けた二次電子変換電極を二次電子検出器の上方に設け、二次電子変換電極に衝突した試料からの二次電子または反射電子を二次電子に変換し、二次電子吸引電界と直行して磁界を印加した二次電子偏向器を用いて検出器に偏向して検出し、かつ一次電子線に対しては吸引電界と磁界を直交させることで電界による偏向作用と磁界による偏向作用を打ち消し、補正をする技術が開示されている。この技術は二次電子を間接的に検出する方法（二次電子間接検出方法）であり、二次電子の偏向量は小さくて良く、検出器方向に大きく二次電子を偏向する直接検出方法に比べ、一次電子線への影響は小さくなる。

しかし、特許文献2に開示されている検出器構成において、一次電子線の持つエネルギー幅は二次電子偏向場により偏向色収差を発生させ、一次電子線の径を試料上で数nm拡大する。nmオーダーの分解能を求められる走査電子顕微鏡において、上記偏向色収差は無視できない。

一方、二次電子偏向器による偏向色収差を小さくするための技術は、特許文献3に開示されている。特許文献3では、二次電子を偏向するための二次電子偏向電界と直行して磁界を印加した二次電子偏向器を設置し、上記偏向器より電子源側に偏向方向の極性が正反対となる条件で動作させるもう一つの偏向器を配置することで、偏向器において発生する一次電子線の偏向収差を打ち消す技術が開示されている。

特開平７−１９２６７９号公報 特開平９−１７１７９１号公報 特開２００１−３５７８０８号公報

半導体回路パターン検査は、低倍率で欠陥検出を行なった後、高倍率で詳細な欠陥の観察やパターン部の検査のための検査像を取得する。通常使われる倍率は、上記欠陥検出では倍率が五千倍〜四万倍程度で、上記検査像の倍率が五万倍〜二十万倍程度であり、検査像に求められる分解能性能はnmオーダーである。

主に試料表層から発生する二次電子を検出して得られる二次電子像は、欠陥部と周辺部の材質の差やエッジ効果によってコントラストが生じる。そのため、同じ構造を持つ2つの観測点の二次電子像を比較することで、欠陥部を検出することができる。
しかし、回路を形成するために半導体ウェハ表面は絶縁物に覆われていることが多く、一次電子線を照射すると試料帯電により二次電子像上に欠陥起因ではない明るさ斑（シェーディング）が発生することがある。このシェーディングは、二次電子像から欠陥を検出する際に誤検出を引き起こす可能性が高くなる。
そのため、二次電子像から欠陥を正しく検出、観察するためには、高分解能かつ高コントラストであり、明るさ斑のない観察像を得ることが必要である。

特許文献2では、二次電子が衝突する二次電子変換電極上の面内位置により偏向電場の等電位面の二次電子変換電極に対する角度が変わるため、二次電子変換電極から出射する二次電子（三次電子と呼ぶ）の検出効率にばらつきがある。二次電子変換電極上の狭い領域に二次電子が衝突すれば問題ないが、観察倍率が低いときや、試料帯電の不均一分布等により、二次電子が大きく偏向されると、二次電子変換電極の検出効率が変化する領域に二次電子が衝突し、上記シェーディングが起こる点について配慮されていない。

電子線応用装置において、電子源から引き出される一次電子は電子源によって決まるエネルギー幅を持つ。特許文献2に示されている二次電子偏向器中を一次電子が通過すると、エネルギーVの一次電子線に対しては、電場による偏向作用と、電場に直交する向きに印加された磁場による偏向作用が打ち消しあうよう設計されているため直進するが、一次電子がΔVのエネルギー幅を持っているとすると、上記偏向器はエネルギーV＋ΔVの一次電子線に対して光軸との間に偏向角θを与える。また偏向器より距離Lだけ進んだ場所では偏向距離rを与える。これらの偏向量は一次電子線の試料上での径を大きくし、分解能を劣化させる。そのため、高倍率で求められる分解能の達成が困難になる。

この偏向器による収差の一次電子線への影響を小さくする技術が、上述の通り特許文献3に示されているが、二次電子直接検出方法での構成の開示に留まり、二次電子間接検出方法への適用は開示されていない。
また、特許文献3では二次電子を検出器に偏向する第一の偏向器と、偏向色収差を打ち消すための第二の偏向器とが離れて設置されている。そのため第二の偏向器は、第一の偏向器が一次電子に与える偏向角θを補正し、偏向距離ｒを補正しきれない。

本発明は、二次電子間接検出方法において、一次電子線の偏向収差を補正することが可能な荷電粒子ビーム装置、走査型顕微鏡、及び試料観察方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、一次荷電粒子ビームを試料に照射し、二次的に発生する二次荷電粒子を検出する荷電粒子ビーム装置として、試料を載置する試料台と、一次荷電粒子ビームを発生させる荷電粒子源と、一次荷電粒子ビームを集束するコンデンサレンズと、集束された一次荷電粒子ビームを試料に照射するための対物レンズと、コンデンサレンズと対物レンズの間に設置された二次電子変換検出部と有し、この二次電子変換検出部は、試料上から発生する二次荷電粒子を衝突させる二次電子変換電極と、二次電子変換電極で発生する二次電子を偏向する第１のE×B偏向器と、第1のE×B偏向器により一次荷電粒子ビームに発生する偏向色収差を抑制する第2のE×B偏向器と、二次電子変換電極で発生する二次電子を検出する検出器とからなる構成を提供する。

また、本発明の試料観察方法においては、試料の所望領域を一次荷電粒子ビームで走査し、一次荷電粒子ビームの照射により所望領域から二次的に発生する二次荷電粒子を二次電子変換電極に衝突させた後、二次電子変換電極の試料側の面に絶縁物を介して固定した第１のE×B偏向器により衝突により発生する二次電子を検出器に取り込む。同時に、二次電子変換電極の電子源側の面に絶縁物を介して固定した第２のE×B偏向器により第１のE×B偏向器で一次荷電粒子ビームに発生する偏向色収差を抑制する。また、この試料観察方法において、第1のE×B偏向器と第2のE×B偏向器は一次荷電粒子ビームに対して180度回転して配置する手段により偏向色収差を抑制することが可能である。更に、試料観察方法において、二次電子変換電極に、第１のE×B偏向器のグランド電極を基準電位として電圧を印加することにより、検出効率の面内ばらつきを抑制することが可能である。

本発明によれば、一次電子線の収差を増やさずに二次信号を効率よく検出することが可能となり、高分解能でかつ高コントラストな観察像により欠陥を検出することにより、検査速度を高速・高感度にすることが可能である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して記述する。

図1は、第1の実施例であるレビューＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）である。本実施例のレビューＳＥＭは、半導体ウェハに存在するの欠陥や異物の画像を取得して、致命欠陥の検出および検出された欠陥の分類を行なうことを目的とした装置である。

レビューＳＥＭはセミインレンズ型の対物レンズを有した走査電子顕微鏡で実施した電子線応用装置であり、大別して電子光学系、試料室27、制御部26と、電子検出系で構成される。

電子光学系は、電子銃1、引き出し電極2、加速電極3、第1のコンデンサレンズ4、第２のコンデンサレンズ6、絞り5、走査偏向器7、対物レンズ8、対物レンズ上磁極13で構成されている。試料室27には試料台9が設置されている。対物レンズ上磁極13には、電圧可変のブースター電圧電源12が設置されており、試料台9には、電圧可変のリターディング電圧電源11が設置されている。

電子検出系は、E×B偏向器31、32、二次電子変換電極33、35、二次電子検出器34、立体像検出器41a、41bで構成される。二次電子変換電極33には電圧電源37が接続されている。検出信号は検出信号処理装置24に送られ、演算と欠陥判定処理が行なわれる。取り込まれた画像はモニタ25に表示される。装置各部の動作命令および動作条件は、制御部26から入出力される。

図2に示すように、E×B偏向器31は、偏向電場を作るための四つの電極60、61、62a、62b、偏向磁界を作るための四つのコイル63a、63b、63c、63d、グランド電極67、絶縁物66a、66bから構成されている。電極60には正電圧が印加できるよう電圧電源64が接続されており、電極61には負電圧が印加できるよう電圧電源65が接続されている。電極61は接地する場合もある。電極62a、62bは接地されている。E×B偏向器32は、偏向電場を作るための四つの電極70、71、72a、72b、偏向磁界を作るための四つのコイル73a、73b、73c、73d、グランド電極77、絶縁物76a、76bから構成されている。電極70には負電圧が印加できるよう電圧電源74が接続されており、電極71には正電圧が印加できるよう電圧電源75が接続されている。電極70は接地する場合もある。電極72a、72bは接地されている。二次電子変換電極33は電圧電源37と接続されており、E×B偏向器31とは絶縁物66aを介して、E×B偏向器32とは絶縁物76aを介して接続されている。２つのE×B偏向器31,32は、一次電子線が通過する開口部を中心軸とした同軸上に接合される。二次電子検出器34は、蛍光体38、二次電子吸引高圧電極39、検出器40から構成される。

本実施例において、コンデンサレンズ6と走査偏向器7との間に位置する、E×B偏向器31、32と二次電子変換電極33と二次電子検出器34とで、二次電子変換検出部を構成しており、この二次電子変換検出部は偏向色収差の抑制機能を有している。この二次電子変換検出部は、好適にはコンデンサレンズ6を通過した一次電子線のクロスオーバポイント近傍に設置される。

さて、電子銃1の電子源には、例えば拡散補給型の熱電界放出電子源を用いる。また、電子銃1は引き出し電極2を備えており、一次電子線は引き出し電極2に電圧を印加することで電子銃1から引き出される。加速電極3には負電圧-V0が印加されており、一次電子線はエネルギーをV0として加速電極3を通過する。その後、コンデンサレンズ4で集束され、クロスオーバ14を作る。コンデンサレンズ4はコンデンサレンズ電源20に接続されており、制御部26により動作を制御されている。また、絞り5を通過する際に電流を制限される。さらに一次電子線はコンデンサレンズ6で集束され、クロスオーバ15を作る。コンデンサレンズ6はコンデンサレンズ電源21に接続されており、制御部26により動作を制御されている。クロスオーバ15がE×B偏向器31と走査偏向器7の間に位置するようコンデンサレンズ4とコンデンサレンズ6を制御する。一次電子線は、制御部26に制御された対物レンズ電源23を持つ対物レンズ8により細く絞られる。

試料台9には一次電子線減速用の高圧電位-Vr（リターディング電位）を可変に出来るよう、電圧可変のリターディング電圧電源11が設置されている。リターディング電位により、一次電子線は試料台9の上に搭載された被検査基板10のすぐ上で急激に減速されながら、対物レンズ8によって被検査基板上に集束される。また、コンデンサレンズ6と対物レンズの間に二段に配置された走査偏向器7によって被検査基板10の上を走査される。走査偏向器7は走査信号発生器22に接続されており、制御部26によりその動作を制御されている。

試料に照射される時の一次電子線のエネルギーは（V0-Vr）となる。本実施例ではV0=2kV、Vr=1.2kVとしたため、800eVの一次電子線を試料に照射した。このとき、一次電子の進む方向をz軸とする。一次電子線の照射によって、被検査基板10からは0〜50eV程度のエネルギーを持った二次電子と、50eVより高いエネルギーを持った反射電子が発生する。発生する二次電子の持つエネルギーをE_S.E.とする。

試料表面の法線に対しての角度θ_S.E.を二次電子と反射電子の放射角度とする。試料台にはリターディング電圧Vrが印加されているので、二次電子の持つエネルギーは(E_S.E.+Vr)となる。対物レンズの上磁極13には二次電子引上げ用の正の電位（ブースター電位）を印加できるよう、電圧可変のブースター電圧電源12が設置されている。本実施例ではブースター電位を2kVとした。この電位により二次電子はブースター電位により電子源側に引き上げられ、対物レンズで作られる磁界により電子源側に巻き上げられながら進行し、二次電子変換電極35の穴を通り抜け、二次電子変換電極33に衝突する。

被検査基板から発生する反射電子を放出角度ごとに4分類する。(1)極めて低い出射角度θ_S.E.をもつ成分は二次電子変換電極35の穴を通り抜け、二次電子変換電極33に衝突する。(4)高い出射角度θ_S.E.を持つ成分は対物レンズ8に当たり、検出器に到達しない。また(1)と(2)の間で、(1)に近い成分(2)は二次電子変換電極35に当たり、(4)に近い成分(3)は直接検出器41a、41bに入射する。二次電子変換電極35に反射電子が衝突すると、二次電子変換電極35から二次電子を発生させる。二次電子は検出器41a、41bで信号を検出する。大きい角度で発生した反射電子は二次電子変換電極35に当たらず、直接検出器41a、41bで検出される。検出器41a、41bは相対する位置（左右とする）に設置されている。この構造は反射電子を左右に分別して、被検査基板上の欠陥や異物等の観察物を、より立体的に観察するためのものである。

二次電子変換電極33は一次電子線通過用の中央孔を持つ円盤状の電極で、電圧印加手段を有しており、材料は入手、加工の容易さからりん青銅を用いている。材料は他のものでも良い。表面には二次電子線照射による汚染物付着防止を主目的として、金をコーティングしている。金のほかにも銀、白金等を用いても良い。また、金コーティングの上に電子線照射による二次電子の発生効率が高い材料であるMgO等を塗布することもある。

巻き上げられた二次電子は、走査偏向器7により偏向され、二次電子変換電極33に衝突する。二次電子変換電極33からは二次電子が発生し、二次電子は二次電子偏向器31により二次電子検出器34の方向に偏向される。

上述したように、図2は偏向器31、32の一実施例を示している。図2上において、二次電子を偏向するためのE×B偏向器31は二次電子変換電極33より試料台側に位置し、二次電子変換電極33と絶縁物66aを介して接合されている。偏向器31が一次電子線に対して作る偏向収差を打ち消すためのE×B偏向器32は二次電子変換電極33より電子源側に位置し、絶縁物76aを介して二次電子変換電極33と接合されている。
E×B偏向器31とE×B偏向器32は電極とコイルの配置は同じであるが、偏向電界と偏向磁界の向きが逆向きになるよう、二回回転対称位置に配置されている。

図2上の(1)線で切った断面図が図2中であり、検出器34とE×B検出器31を図示している。E×B偏向器31は偏向電界（E）と偏向磁界（B）を直交させて動作させる偏向器で、二次電子が検出器34に偏向されるよう、２つの相対する電極60、電極61に電位差を持たせ、偏向電界（E）を作る。本実施例では電極60に正電位を、電極61は負電位とした。二次電子の偏向方向をx軸とする。x軸とz軸に垂直な軸をy軸とすると、y軸に相対する接地電極62a、62bを配置することで、偏向器31内部に偏向電界を一様に作り出すことが出来る。電極60、電極61と電極62a、電極62bは円筒型電極を分割した形をしており、分割度は電極60、電極61が120度、電極62a、電極62bが60度の大きさを持つ。また、電極60はメッシュ状の電極で、二次電子が透過して検出器34に到達出来るようになっている。

検出器34は、二次電子を加速するための二次電子吸引高電圧電極39と、蛍光体38、検出器40で構成されている。電極39は、メッシュ電極を透過した二次電子やメッシュ電極に二次電子が衝突してそこから出射された二次電子を加速させる。本実施例では電極39に10kVを印加し、二次電子を加速して蛍光体38に入射させ、検出器40で検出した。検出器40は光電子増倍管を使用した。検出器40は半導体検出器やマルチチャンネルプレート等の検出器でも良い。電極61、電極62a、電極62bはメッシュ電極でなく板状の電極で良い。偏向磁界（B）は電極60、電極61と電極62a、電極62bが隣接する部分の外側に設置された二組、計4つのコイル63a、63b、63c、63dにより作り出される。

図2上を(2)線で切った断面図が図２下であり、E×B検出器32を図示している。電極70は負電位に、電極71には正電位を持たせる。したがって偏向極性は偏向器31とは逆になる。偏向磁場も偏向器31のそれと逆になるように動作させる。

E×B偏向器31、32は、一次電子線に対して電界による偏向方向と、磁界による偏向方向が打ち消しあうように動作させることで、一次電子線に対して偏向作用を及ぼさない条件（Wien条件）を作り動作させる。次のような偏向器のモデルを考える。偏向電極の長さを2×l_L、偏向電極間の長さをd_Lとし、二次電子偏向方向の偏向電極に+V_L/2、相対する偏向電極に-V_L/2を印加し、偏向磁場の強さをB_Lとする。一次電子の、偏向器中心からL_Lだけ試料側に離れた場所での偏向量Δx_Lは式(1)で表される。

- - - - - - - - - - 式（１）

ここで加速電圧をV₀、電子の質量をm、電子の電荷量をeとした。

Δx_Lがゼロなるようにパラメータを設定することで、Wien条件を満足させることが出来る。二次電子に対しては偏向電場が及ぼす力の向きと偏向磁場が及ぼす力の向きは同一方向となるので、式(1)においてΔx_BLの符号が正になり、検出器側に偏向作用が働く。

また、本実施例では偏向磁場コイルを二組計４つとしているが、一組２つのコイルでも直交磁界を作り出せる。しかし二組計４つのコイルのほうが偏向電場に対する直交度が高い磁界を作り出せる。

図3に、二次電子変換電極33を接地した場合の二次電子の軌道例を比較のために示した。検出器に近い領域（領域Iと呼ぶ）では当電位線が二次電子変換電極33と平行になるため、領域Iから出射する二次電子は試料方向に向かう力を偏向電場から強く受ける。そのため、二次電子は検出器に入らず検出器のカバー下部に当たり、領域Ｉでの二次電子検出効率が低下する。検出器から遠い領域（領域IIと呼ぶ）では、検出器と反対方向に出射する二次電子が電極62に衝突するため、領域IIでの二次電子検出効率が低下する。したがって、二次電子変換電極の面内において二次電子の検出効率に差があり、非一様になる。低倍率で試料を観察すると、二次電子が走査偏向器によって大きく偏向され、二次電子変換電極33上を走査する。走査範囲に検出効率の低下している領域I、IIが含まれると、走査場所により二次電子の検出効率の差があるため、取得画像上に明るさの斑（シェーディング）が現れる原因になることがある。シェーディングが現れると、欠陥判定に正常部と欠陥部のコントラストの差分情報を用いているため、検査が正常に行なえなくなる。

そこで、本実施例では、図１、２に示したように、電圧制御手段37により二次電子変換電極33に電圧を印加し、電極62a、62bよりも高い電位に制御することで等電位分布を調節し、二次電子に対して変換電極方向に引き上げる力を作る。これにより、検出器の下カバーや電極61に衝突して検出器に取り込まれていない二次電子も、二次電子変換電極33と接地電極67との間を進行する。

図4に二次電子変換電極33に電圧を印加した場合の二次電子の軌道例を挙げる。図4から明らかなように、偏向された二次電子はメッシュで作られた偏向電極60を透過し、引込電極39が作る電界により加速され、蛍光体38に当たり蛍光体を励起して光を発生させる。この光は検出器40により検出される。

E×B偏向器31は一次電子線に対して偏向作用を及ぼさないよう偏向電場と偏向磁場を直交させているが、エネルギー幅（ΔV₀）を持つ一次電子線に対し偏向色収差を発生させる。偏向器中心からL_Lだけ試料側に離れた場所での、V0+ΔV₀のエネルギーを持つ一次電子線の偏向量Δx_LCは式(2)で表される。

- - - - - - - - - - 式（2）

極性を反転させたもう一つの偏向器を偏向収差補正用として設置する。即ち、偏向収差補正用E×B偏向器32の偏向電極の長さを2×l_U、偏向電極間の長さをd_Uとし、二次電子偏向方向の偏向電極に-V_U/2、相対する偏向電極に+V_U/2を印加し、偏向磁場の強さをB_Uとする。偏向器中心からL_Uだけ試料側に離れた場所での、上記電子線の偏向量Δx_UCは式(3)で表される。

- - - - - - - - - - 式（3）

上下偏向器の偏向量の和Δxは式(2)と式(3)の和となり、

- - - - - - - - - - 式（4）

と表される。式(4)がゼロになるように偏向電極の長さと印加電圧を決めることで、偏向色収差を小さくすることが出来る。

さて、一次電子線のエネルギー幅は電子源1の電子源で決まり、本実施例で使用した電子源Zr/O/Wのエネルギー幅は0.6eVと評価されている。コンデンサレンズ6を通過したこの一次電子線は、偏向器31、32と走査偏向器7との間にクロス（クロスオーバポイント）を作る。（V0+ΔV0）のエネルギーを持つ一次電子線はクロスにおいて上下偏向器の偏向量の和Δxと上下偏向器の偏向角度の和Δθを持つ。

本実施例では、二次電子変換電極33と二つの偏向器とを絶縁物を介してそれぞれ接合している。二つの偏向器は近接して設置されており、クロスからそれぞれの偏向器までの距離が同程度となるため、ΔθとΔxの補正が両方でき、一次電子線が対物レンズの中心を、垂直に入射し通過するようになる。

一般に、一次電子線が磁界レンズに対し角度を持って入射すると、軸外の収差が生じるが、磁界レンズを使った対物レンズでの収差を小さくするには、対物レンズ8に対し垂直に一次電子線を入射させる必要がある。上述したように、対物レンズ8の中心を垂直に入射させることの出来る本実施例の構成は、図1の対物レンズ8として磁界レンズを用いた場合であっても、精度よく偏向色収差を打ち消すことができるようになる。

図5は第二の実施例を示す図である。本実施例の構成は、実施例1において偏向器31と偏向器32の位置を入れ替えた配置構成を持っている。図5において、偏向器31と偏向器32の位置以外は、実施例1の構成と同じである。実施例2の構造は、二次電子偏向用の偏向器31が収差補正用偏向器32よりも電子源側に位置し、二次電子変換電極33と絶縁物を介して接している。偏向器31と偏向器32は絶縁物を介して接しており、偏向極性が逆になるよう動作させる。まず二次電子は収差補正用偏向器32が作る偏向場により偏向される。上記偏向場を通過すると、二次電子偏向用偏向器31の作る偏向場により偏向される。二つの偏向器による二次電子の偏向方向は、二つの偏向器の偏向極性が逆向きなので正反対となり、偏向量は打ち消しあう。二次電子への偏向作用は変わらず、かつ一次電子線への収差補正作用も変わらないため、効果は実施例1と同様、二次電子の検出効率が二次電子変換電極面内において高効率かつ一様になる。また、一次電子に対する偏向収差の補正効果も実施例1と同様に得られる。

続いて、第三の実施例を説明する。本実施例においては、実施例1では二次電子変換電極33の全体を同電位にしていたが、二次電子変換電極として、連続的に電位を変えられるような構造を有する二次電子変換電極33‘を用いる。本実施例の二次電子変換電極33’を図6を用いて説明する。二次電子変換電極の構造以外は実施例1と同じである。まず、二次電子変換電極の表面積と同等の大きさと形を持つ薄い金属箔をn個に分割し、裁断する。裁断する方向はy軸に平行な方向である。またnは大きいほど良い。裁断した金属箔同士が接しないよう、二次電子変換電極表面に貼り付け、隣り合う金属箔同士を抵抗で接続する。したがって、n個の金属箔をn-1個の抵抗（Ω）を用いて直列につなげることとなる。使用する抵抗はn-1個とも同じ抵抗値のものを用いる。なお、二次電子変換電極33'はその中心に、一次電子線通過用開口を持つ。

偏向器31の電極60に電位V1を、電極61に電位V2を印加している場合、二次電子変換電極33表面に貼り付けた金属箔の偏向電場電極60側がV1に、偏向電場電極61側がV2になるよう電源を設置する。金属箔は直列に接続されているので、(V1-V2)/nの電位が分配される。

本実施例の上記の機構により偏向電場の等電位線は二次電子変換電極に垂直になるため、実施例1のように二次電子は損失なく検出器に取り込まれるようになる。

引き続き、本発明の第四の実施例として、半導体パターンの寸法を計測するための半導体測長用走査電子顕微鏡（測長SEM）で実施した例を図7に示す。半導体パターンの測長検査を行なう上で取得画像上（ないしは画素の二次元分布情報）にシェーディングがあると、半導体パターンを正確に測定・評価できないため、本実施例の構成が有効である。本実施例においては、セミインレンズ型の対物レンズを有した走査電子顕微鏡で実施した例を示す。

測長SEMは、電子光学系、試料室327、制御部326と、電子検出系に大別できる。電子光学系は、電子銃301、引き出し電極302、加速電極303、コンデンサレンズ304、306、絞り305、走査偏向器307、対物レンズ308、対物レンズ上磁極313で構成されている。試料室327には試料台309が設置されている。対物レンズ上磁極313には、電圧可変のブースター電圧電源312が設置されており、試料台309には、電圧可変のリターディング電圧電源311が設置されている。

電子検出系は、E×B偏向器331、332、二次電子変換電極333、二次電子検出器334で構成されている。二次電子変換電極333には電圧電源337が接続されている。検出信号は検出信号処理装置324に送られ、測長が行なわれる。取り込まれた画像はモニタ325に表示される。装置各部の動作命令および動作条件は、制御部326から入出力される。
E×B偏向器331は、図8に示すように、偏向電場を作るための四つの電極360、361、362a、362b、偏向磁界を作るための四つのコイル363a、363b、363c、363d、グランド電極367、絶縁物366a、366bから構成されている。電極360には正電圧が印加できるよう電圧電源364が接続されており、電極361には負電圧が印加できるよう電圧電源365が接続されている。電極361は接地する場合もある。電極362a、362bは接地されている。E×B偏向器332は、偏向電場を作るための四つの電極370、371、372a、372b、偏向磁界を作るための四つのコイル373a、373b、373c、373d、グランド電極377、絶縁物376a、376bから構成されている。電極370には負電圧が印加できるよう電圧電源374が接続されており、電極371には正電圧が印加できるよう電圧電源375が接続されている。電極370は接地する場合もある。電極372a、372bは接地されている。二次電子変換電極333は電圧電源337と接続されており、E×B偏向器331とは絶縁物366aを介して、E×B偏向器332とは絶縁物376aを介して接続されている。２つのE×B偏向器331,332は、一次電子線が通過する開口部を中心軸とした同軸上に接合される。二次電子検出器334は、蛍光体338、二次電子吸引高圧電極339、検出器340から構成される。

電子銃301は引き出し電極302を備えており、一次電子線は引き出し電極302に電圧を印加することで電子銃から引き出される。電子銃301の電子源には拡散補給型の熱電界放出電子源である、Zr/O/Wを用いた。加速電極303には負電圧-V0が印加されており、一次電子線はエネルギーをV0として加速電極303を通過する。本実施例ではV0を3kVとした。その後、コンデンサレンズ304で集束され、クロスオーバ314を作る。コンデンサレンズ304はコンデンサレンズ電源320に接続されており、制御部326により動作を制御される。また、絞り305を通過する際に電流を制限される。さらに一次電子線はコンデンサレンズ306で集束され、クロスオーバ315を作る。コンデンサレンズ306はコンデンサレンズ電源321に接続されており、制御部326により動作を制御される。クロスオーバ315がE×B偏向器331と走査偏向器307の間に位置するようコンデンサレンズ304とコンデンサレンズ306を制御する。一次電子線は、制御部326に制御された対物レンズ電源323を持つ対物レンズにより細く絞られる。試料台309には一次電子線減速用の高圧電位-Vr（リターディング電位）を可変に出来るよう、電圧可変のリターディング電圧電源311が設置されている。リターディング電位により、一次電子線は試料のすぐ上で急激に減速されながら、対物レンズによって試料上に集束される。また、コンデンサレンズ306と対物レンズの間に二段に配置された偏向コイル307によって被検査基板310の上を走査される。走査偏向器307は走査信号発生器322に接続されており、制御部326によりその動作を制御される。

試料に照射される時の一次電子線のエネルギーは（V0-Vr）となる。実施例１と同様に、一次電子線の照射によって、試料310からは0〜50eV程度のエネルギーを持った二次電子と、50eVより高いエネルギーを持った反射電子が発生する。

対物レンズの上磁極313には二次電子引上げ用の正の電位（ブースター電位Vb）を印加できるよう、電圧可変のブースター電圧電源312が設置されており、二次電子はブースター電位により電子源側に引き上げられる。本実施例ではVrを2.2kVとしたので、一次電子線は800eVのエネルギーを持って試料に入射する。Vbは6kVとした。ブースター電極の作る引き上げ電界と、対物レンズで作られる磁界により電子源側に巻き上げられながら二次電子は電子源側に進行する。反射電子検出用の立体像検出器を有していないことと、実施例1に比べVbが高いため、電子源側に引き上げられる二次電子の数も多い。

コンデンサレンズ306と対物レンズの間に、一次電子線通過用の中央孔を持つ円盤状の電極である二次電子変換電極333を設ける。二次電子変換電極333は、電圧印加手段を有しており、材料は入手、加工の容易さからりん青銅を用いている。材料は他のものでも良い。表面には二次電子線照射による汚染物付着防止を主目的として、金をコーティングしている。コーティング材は他の材料でも良い。二次電子変換電極333は、試料側に絶縁物を介して二次電子偏向用偏向器331が、電子源側に絶縁物を介して一次電子線の収差打消し用偏向器332が接合されている。各偏向器の実施例は、実施例1と同様である。

二次電子は二次電子変換電極333に衝突し、電極333から二次電子が発生する。偏向器331の偏向場により二次電子は検出器方向に偏向され、メッシュからなる電極360を透過し、引込電極339により加速されながら検出器340に入る。

本実施例においても、実施例1で説明したシェーディング発生要因と同様に、二次電子変換電極が電圧印加手段を持たない場合では、二次電子の二次電子変換電極333に当たる場所によって、二次電子の検出効率に差がでて、二次電子変換電極の面内において二次電子の検出効率が非一様になる。低倍率で試料を観察すると、二次電子が走査偏向器によって大きく偏向され、二次電子変換電極333上を走査し、走査範囲に検出効率の低下している領域が含まれると、走査場所により二次電子の検出効率の差があるため、取得画像上にシェーディングが現れる原因になることがある。

取得画像上のシェーディングは、半導体パターンの寸法を取得画像から評価する測長SEMにおいて正確に測定できない原因となる。そこで、電圧制御手段337により二次電子変換電極333に電圧を印加し、電極362a、362bよりも高い電圧に制御することで等電位分布を調節し、二次電子に対して変換電極方向に引き上げる力を作る。これにより、検出器の下カバーや電極361に衝突して検出器に取り込まれていない二次電子も、二次電子変換電極333と接地電極367との間を進行する。

なお、偏向器の実施例は実施例1と同様で、その構造を図8に示す。構造が同じため、一次電子線に対する偏向作用と二次電子に対する偏向作用は実施例1と同様であり、かつ偏向極性を反転させた二つの偏向器を、それぞれ二次電子変換電極と絶縁物を介して接合しているため、一次電子線に対する偏向器による偏向収差の補正も実施例1と同様に得られることは言うまでもない。

本発明の第一の実施例であるレビューＳＥＭを示す図。 第一の実施例の二次電子偏向器の一実施例を示す図。 第一の実施例の構成において、二次電子の軌道例を説明するための図。 第一の実施例の構成において、二次電子の軌道例を説明するための図。 本発明の第二の実施例の要部の構成を示す図。 本発明の第三の実施例の二次電子変換電極の構造を示す図。 本発明の第四の実施例として、半導体測長用走査電子顕微鏡（測長SEM）で実施した例を示す図。 第四の実施例における測長ＳＥＭに搭載する偏向器の実施例を示す図。

符号の説明

１…電子銃、２…引き出し電極、３…加速電極、４…コンデンサレンズ、５…絞り、６…コンデンサレンズ、７…走査偏向器、８…対物レンズ、９…試料台、１０…被検査基板（被検査ウェハ）、１１…リターディング電圧電源、
１２…ブースター電圧電源、１３…対物レンズ上磁極、１４…クロスオーバ、１５…クロスオーバ、１６…電子光学鏡筒、２０…コンデンサレンズ電源、２１…コンデンサレンズ電源、２２…走査信号発生器、２３…対物レンズ電源、２４…検出信号処理装置、２５…モニタ、２６…制御部、２７…試料室、３１…E×B偏向器、３２…E×B偏向器、３３…二次電子変換電極、３４…検出器、３５…二次電子変換電極、３７…二次電子変換電極用電圧電源、３８…蛍光体、３９…二次電子吸引高電圧電極、４０…検出器、４1a…検出器、４1b…検出器、６０…偏向電場正電圧電極、６１…偏向電場負電圧またはグランド電極、６２a…グランド電極、６２b…グランド電極、６３a…偏向磁場コイル、６３b…偏向磁場コイル、６３c…偏向磁場コイル、６３d…偏向磁場コイル、６４…偏向電場正電圧電源、６５…偏向電場負電圧電源、６６a…絶縁物、６６b…絶縁物、６７…グランド電極、７０…偏向電場負電圧またはグランド電極、７１…偏向電場正電圧電極、７２a…グランド電極、７２b…グランド電極、７３a…偏向磁場コイル、７３b…偏向磁場コイル、７３c…偏向磁場コイル、７３d…偏向磁場コイル、７４…偏向電場負電圧電源、７５…偏向電場正電圧電源、７６a…絶縁物、７６b…絶縁物、７７…グランド電極、３０１…電子銃、３０２…引き出し電極、３０３…加速電極、３０４…コンデンサレンズ、３０５…絞り、３０６…コンデンサレンズ、３０７…走査偏向器、３０８…対物レンズ、３０９…試料台、３１０…被検査基板（被検査ウェハ）、３１１…リターディング電圧電源、３１２…ブースター電圧電源、３１３…対物レンズ上磁極、３１４…クロスオーバ、３１５…クロスオーバ、３１６…電子光学鏡筒、３２０…コンデンサレンズ電源、３２１…コンデンサレンズ電源、３２２…走査信号発生器、３２３…対物レンズ電源、３２４…検出信号処理装置、３２５…モニタ、３２６…制御部、３２７…試料室、３３８…蛍光体、３３９…二次電子吸引高電圧電極、３４０：検出器、３６０…偏向電場正電圧電極、３６１…偏向電場負電圧またはグランド電極、３６２a…グランド電極、３６２b…グランド電極、３６３a…偏向磁場コイル、３６３b…偏向磁場コイル、３６３c…偏向磁場コイル、３６３d…偏向磁場コイル、３６４…偏向電場正電圧電源、３６５…偏向電場負電圧電源、３６６a…絶縁物、３６６b…絶縁物、３６７…グランド電極、３７０…偏向電場負電圧またはグランド電極、３７１…偏向電場正電圧電極、３７２a…グランド電極、３７２b…グランド電極、３７３a…偏向磁場コイル、３７３b…偏向磁場コイル、３７３c…偏向磁場コイル、３７３d…偏向磁場コイル、３７４…偏向電場負電圧電源、３７５…偏向電場正電圧電源、３７６a…絶縁物、３７６b…絶縁物、３７７…グランド電極。

Claims (12)

1. 一次荷電粒子ビームを試料に照射し、二次的に発生する二次荷電粒子を検出する荷電粒子ビーム装置であって、
   試料を載置する試料台と、
   一次荷電粒子ビームを発生させる荷電粒子源と、
   前記一次荷電粒子ビームを集束するコンデンサレンズと、
   集束された前記一次荷電粒子ビームを前記試料に照射するための対物レンズと、
   前記コンデンサレンズと前記対物レンズの間に設置された二次電子変換検出部とを有し、
   前記二次電子変換検出部は、前記一次荷電粒子ビームの光軸上に配置し、前記二次荷電粒子を衝突させる二次電子変換電極と、
   前記二次電子変換電極に接続される電圧源と、
   前記二次荷電粒子の衝突により、前記二次電子変換電極で発生する二次電子を偏向する第１のＥ×Ｂ偏向器と、
   前記第1のＥ×Ｂ偏向器により前記一次荷電粒子ビームに発生する偏向色収差と偏向角度を抑制する第2のＥ×Ｂ偏向器と、
   前記一次荷電粒子ビームの光軸外で、かつ前記第１のＥ×Ｂ偏向器の近傍に配置され、前記第１のＥ×Ｂ偏向器により偏向された前記二次電子を検出する検出器とから構成され、
   前記第１のＥ×Ｂ偏向器と前記第２のＥ×Ｂ偏向器は、前記二次電子変換電極の近傍に配置され、
   前記二次電子変換電極に接続される電圧源により、前記二次電子変換電極の電位を、前記第１のＥ×Ｂ偏向器のグランド電極の電位より高く維持するように、前記二次電子変換電極に印加する電圧を制御するとともに、
   前記二次電子変換電極で発生する二次電子を、前記第１のＥ×Ｂ偏向器の電極を通過させる
   ことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
2. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置において、
   前記第1のＥ×Ｂ偏向器と前記第2のＥ×Ｂ偏向器は、前記一次荷電粒子ビームに対して互いに二回回転対称な位置に配置された
   荷電粒子ビーム装置。
3. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   前記試料台に接続されたリターディング電圧電源を更に有する
   荷電粒子ビーム装置。
4. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   前記第１のＥ×Ｂ偏向器と前記二次電子変換電極と前記第2のＥ×Ｂ偏向器はそれぞれ絶縁物を介して配置される
   荷電粒子ビーム装置。
5. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   前記第１のＥ×Ｂ偏向器は、前記二次電子変換電極の前記試料側の面に絶縁物を介して設置され、前記第2のＥ×Ｂ偏向器は、前記二次電子変換電極の前記荷電粒子源側の面に絶縁物を介して設置されている
   荷電粒子ビーム装置。
6. 請求項１記載の荷電粒子ビーム装置であって、
   前記二次電子変換検出部は、前記コンデンサレンズを通過した前記一次荷電粒子ビームの
   クロスオーバポイント近傍に設置されている
   荷電粒子ビーム装置。
7. 試料室に格納された試料に対して一次電子線を走査し、前記一次電子線の照射により発生する二次荷電粒子を検出して、二次荷電粒子信号を出力する機能を有する電子光学鏡筒を備えた走査型電子顕微鏡において、
   前記電子光学鏡筒は、電子源と、電子レンズと、走査偏向器と、該電子源と走査偏向器との間に、互いに極性が反転するように配置された第１のＥ×Ｂ偏向器と、第２のＥ×Ｂ偏向器と、二次電子変換電極と、前記二次電子変換電極に接続される電圧源とを備え、
   前記第１のＥ×Ｂ偏向器と前記第２のＥ×Ｂ偏向器は、前記二次電子変換電極の近傍に配置され、
   更に、偏向色収差と偏向角度を最小とするよう、前記第１のＥ×Ｂ偏向器の近傍に、前記一次電子線のクロスオーバポイントが形成されるように前記電子レンズを駆動する制御電源とを備え、
   前記二次電子変換電極の電位を前記第１のＥ×Ｂ偏向器のグランド電極の電位より高く維持するように、前記電圧源により前記二次電子変換電極に印加する電圧を制御するとともに、前記二次電子変換電極で発生する二次電子を前記第１のＥ×Ｂ偏向器の電極を通過させる
   ことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
8. 請求項７記載の走査型電子顕微鏡であって、
   前記第1のＥ×Ｂ偏向器と前記第2のＥ×Ｂ偏向器は前記一次電子線に対して互いに二回回転対称な位置に配置された
   走査型電子顕微鏡。
9. 請求項７記載の走査型電子顕微鏡であって、
   前記第１のＥ×Ｂ偏向器と前記二次電子変換電極と前記第2のＥ×Ｂ偏向器は絶縁物を介して配置されている
   走査型電子顕微鏡。
10. 請求項７記載の走査型電子顕微鏡であって、
    前記第１のＥ×Ｂ偏向器は、前記二次電子変換電極の前記試料側の面に絶縁物を介して設置され、前記第2のＥ×Ｂ偏向器は、前記二次電子変換電極の前記電子源側の面に絶縁物を介して設置されている
    走査型電子顕微鏡。
11. 試料の所望領域を一次荷電粒子ビームで走査することにより前記試料を観察する試料観察方法であって、
    前記所望領域に前記一次荷電粒子ビームを照射する工程と、
    該照射により前記所望領域から二次的に発生する二次荷電粒子を、前記一次荷電粒子ビームの光軸上に配置した二次電子変換電極に衝突させる工程と、
    衝突により前記二次電子変換電極から発生する二次電子を、前記二次電子変換電極の前記試料側の面に絶縁物を介して設置された第１のＥ×Ｂ偏向器で偏向することにより、検出器に誘導する工程と、
    前記二次電子を前記第１のＥ×Ｂ偏向器の電極を通過させ、効率よく前記検出器に誘導するため、前記二次電子変換電極に接続される電圧源により、前記二次電子変換電極の電位を前記第１のＥ×Ｂ偏向器のグランド電極の電位より高く維持するように、前記二次電子変換電極に印加する電圧を制御する工程と、
    前記第１のＥ×Ｂ偏向器に絶縁物を介して固定した第２のＥ×Ｂ偏向器により、前記第１のＥ×Ｂ偏向器で前記一次荷電粒子ビームに発生する偏向色収差と偏向角度を抑制する工程と
    を備えた試料観察方法。
12. 請求項１１記載の試料観察方法であって、
    前記第1のＥ×Ｂ偏向器と前記第2のＥ×Ｂ偏向器は前記一次荷電粒子ビームに対して二回回転対称な位置に配置する試料観察方法。

Images