(57)【要約】【課題】  本開示は、短ＷＤ設定による高分解能化と長ＷＤ設定時の検出効率の向上の両立可能な荷電粒子線装置の提供を目的とする。【解決手段】  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収束する対物レンズ（７）と、前記荷電粒子ビームの照射対象である試料を、第１の位置と、当該第１の位置より前記対物レンズから離間した第２の位置との間で移動させる第１の駆動機構を有する試料台（９）と、前記試料から放出された荷電粒子を検出する検出面（１０）と、当該検出面を前記第１の位置と前記第２の位置との間の前記試料の可動範囲内と、当該試料の可動範囲外との間で移動させる第２の駆動機構（１６）を備えた荷電粒子線装置を提案する。【選択図】図３
2020017415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを収束する対物レンズと、
前記荷電粒子ビームの照射対象である試料を、第１の位置と、当該第１の位置より前記対物レンズから離間した第２の位置との間で移動させる第１の駆動機構を有する試料台と、
前記試料から放出された荷電粒子を検出する検出面と、
当該検出面を前記第１の位置と前記第２の位置との間の前記試料の可動範囲内と、当該試料の可動範囲外との間で移動させる第２の駆動機構を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記検出面と前記第２の駆動機構を接続する支持部材を備え、
前記対物レンズは、第１の磁極と、当該第１の磁極より前記荷電粒子ビーム光軸から離間した第２の磁極を有し、前記第２の駆動機構は、前記第１の磁極と前記第２の磁極との間に形成されたレンズギャップと、前記試料の可動範囲との間で前記検出面を移動させることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記第２の駆動機構と検出面を接続する支持部材を備え、当該支持部材は、前記レンズギャップを通して前記検出面を支持することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項２において、
前記第２の駆動機構は前記磁路に囲われた大気圧空間に配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項２において、
前記検出面は、複数の分割検出面を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記第２の駆動機構は、前記分割検出面が、前記試料の可動範囲外に位置するときと比較して、前記試料の可動範囲内に位置するときに、互いに近接するように前記分割検出面を移動させることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記分割検出面は、前記試料の可動範囲内に位置するときに、円環状の検出面となることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項２において、
前記検出面は半導体検出器であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項９】
請求項２において、
前記第２の駆動機構と前記検出面を接続する支持部材を備え、前記検出面がシンチレータであり、前記支持部材がライトガイドであることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１０】
請求項１において、
前記第１の駆動機構と前記第２の駆動機構を制御する制御装置を備え、当該制御装置は、前記試料と前記検出面との間の距離を維持するように、前記第１の駆動機構と第２の駆動機構を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１１】
請求項１において、
前記検出面は磁性体で構成されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１２】
請求項１において、
前記第２の駆動機構は、前記荷電粒子ビームのビーム光軸に直交する方向に、前記検出面を移動させることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記対物レンズの前記試料側の面には、前記第２の駆動機構によって移動する検出面を案内するガイドが設けられていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１４】
請求項１２において、
前記検出面は、複数の分割検出面を有し、前記第２の駆動機構は当該複数の分割検出面を、前記荷電粒子ビームの光軸に向かって移動させることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１５】
請求項１において、
前記第２の駆動機構は、回転機構であって、その回転によって、前記試料の可動範囲内と、当該試料の可動範囲外との間で前記検出面を移動させることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１６】
請求項１５において、
前記対物レンズの前記試料側の面には、円弧状の溝が形成され、当該溝によって前記検出面が案内されることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１７】
請求項１５において、
前記第２の駆動機構
は、前記検出面を支持する複数の支持部材を移動させるように構成され、複数の前記検出面を回転運動により切り替えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１８】
荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを収束する対物レンズと、試料を支持する試料台と、試料から放出された電子を検出する検出面と、前記試料台、或いは前記検出面の少なくとも一方に電圧を印加するための電圧源と、前記検出面の位置を調整する駆動機構と、当該駆動機構を制御する制御装置を備え、当該制御装置は、前記試料台、或いは前記検出面の少なくとも一方への印加電圧を変化させたときの前記検出面の画像上のずれを抑制するように、前記駆動機構を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１９】
荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを収束する対物レンズと、試料を支持する試料台と、試料から放出された電子を検出する検出面と、当該検出面の位置を調整する駆動機構と、当該駆動機構を制御する制御装置を備え、当該制御装置は、前記検出面上に前記荷電粒子ビームを走査したときに得られる画像上で、前記検出面の開口中心が視野の中心となるように、前記駆動機構を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子線装置の一態様である走査電子顕微鏡は、試料に電子ビームを照射して試料から放出される信号電子を検出することで、画像を生成する装置である。試料から放出される信号電子の内、数ｅＶの低いエネルギーを持つものが二次電子、照射電子ビーム同等（数ｋｅＶ）のエネルギーを持つものが後方散乱電子（反射電子）と呼ばれ区別されている。
【０００３】
これらの電子は発生原理が異なり、試料に関して異なる情報を持っていることが知られている。走査電子顕微鏡はこれらの信号電子を選択的に検出することで多様な情報を取得する。特許文献１には、試料から放射状に広がる反射電子を高効率に検出するために、対物レンズ磁路と試料の間に、駆動機構を持つ検出器が配置される電子顕微鏡が開示されている。また、特許文献２には、対物レンズの焦点距離（ＷＤ）を短くして分解能を向上させるため、対物レンズ磁路下面に検出面を持つ構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３５６７９号公報
【特許文献２】特開昭５８−１８８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
様々な材料・構造で構成される試料を観察する場合には、分解能の向上と多様な試料情報の取得が必要である。高分解能化には一般的に対物レンズの焦点距離（ワーキングディスタンス：ＷＤ）を短くすることが有効である。また多様な情報の取得には、照射電子ビームのエネルギー（加速電圧）を変え信号電子を弁別して検出することが有効である。例えば試料最表面の形状観察には低加速電圧による二次電子の検出が、試料の下層に埋もれた材料観察には高加速電圧による反射電子の検出が適している。
【０００６】
広い加速電圧の設定範囲を持つ装置において、ＷＤを一定に保つことは難しい。高加速電圧では電子の収束に必要なレンズ強度が大きくなる。磁場型対物レンズではレンズ磁路の磁気飽和により、収束に必要な磁場強度が得られない。そのため、低加速電圧と比較してＷＤを長くして観察することが望ましい。一方でＷＤを伸ばすと試料から傾斜して放出される反射電子が対物レンズの漏洩磁場により回転作用を受け、試料方向に戻される「戻り電子」の数が増える。
【０００７】
特許文献１には反射電子が回転作用を受け試料に戻る前に検出するための検出器の構成が示されている。しかしこの構成では、試料と対物レンズとの間に検出器を導入するための空間を設ける必要があるため、短ＷＤ化に基づく高分解能化の実現が困難である。特許文献２に開示された構成では、長ＷＤとしたときに電子の検出面と、放出電子の発生源である試料上のビームの照射点との間の距離が長くなるので、検出効率が低下する。
【０００８】
以下に、短ＷＤ設定による高分解能化と長ＷＤ設定時の検出効率の向上の両立を目的とする荷電粒子線装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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収束する対物レンズと、前記荷電粒子ビームの照射対象である試料を、第１の位置と、当該第１の位置より前記対物レンズから離間した第２の位置との間で移動させる第１の駆動機構を有する試料台と、前記試料から放出された荷電粒子を検出する検出面と、当該検出面を前記第１の位置と前記第２の位置との間の前記試料の可動範囲内と、当該試料の可動範囲外との間で移動させる第２の駆動機構を備えた荷電粒子線装置を提案する。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成によれば、短ＷＤ設定による高分解能化と長ＷＤ設定時の検出効率の向上の両立が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】磁路ギャップ間に信号電子検出面を持つ走査電子顕微鏡の概略図。
【図２】長ＷＤ条件における反射電子の軌道模式図。
【図３】ＷＤと検出面位置の関係と駆動機構を表す概略図。
【図４】分割検出面の配置の一例を示す図。
【図５】分割可動検出面の構成と移動方向を示す図。
【図６】試料台と検出器の位置の制御信号の構成を示す図。
【図７】穴のあいた磁路に支持部材を通し、検出面が可動する構成を示す模式図。
【図８】検出面高さ駆動による信号電子の検出角度制御を示す模式図。
【図９】検出面と支持部材が対物レンズ磁路下を通る場合の模式図。
【図１０】検出面を磁路下面に沿った溝に沿って挿入する構成の模式図。
【図１１】検出面が回転運動により挿入される場合の模式図。
【図１２】検出面を複数持つ場合の模式図。
【図１３】試料台に印加された電圧による位置調整方法を表す模式図。
【図１４】検出面に印加された電圧による位置調整方法を表す模式図。
【図１５】電子顕微鏡像による位置調整方法を表す模式図。
【図１６】試料から放出された電子を検出する検出面が対物レンズのレンズギャップに収容された状態と、レンズギャップ外の試料に近接した位置に位置付けられている状態を示す図。
【図１７】検出器移動用駆動機構を上下に移動させる移動機構を備えた走査電子顕微鏡の一例を示す図。
【図１８】検出面の位置決めを行うためのガイド穴が設けられている対物レンズの構成を示す図。
【図１９】装置条件を設定するＧＵＩ画面の一例を示す図。
【図２０】試料の移動範囲と検出面の移動範囲との関係を示す図。
【図２１】検出面の位置合わせ工程を示すフローチャート。
【図２２】試料電位を変化させたときの画像のずれから、検出面の開口中心と光軸が一致する検出面位置を特定できる原理を説明する図。
【図２３】検出面を移動させる駆動機構としてリニアモータを採用した例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に説明する実施例では、例えば、荷電粒子源から放出された荷電粒子線を収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と、高さ方向に駆動する試料を保持する試料台を備えた荷電粒子線装置であって、前記対物レンズは、電磁コイル及び前記電磁コイルを取り囲む磁路を有し、前記試料表面に最も近い前記磁路面よりも前記試料表面から離れた位置と、前記試料台の高さが変化したときに前記試料表面との距離を一定に保ちながら駆動する検出面を有する荷電粒子線装置について説明する。このような構成によれば、加速電圧に応じて変化するＷＤによらず、同等の検出効率を維持することが可能となる。
【００１３】
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つに、半導体デバイスの出来栄え評価がある。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が求める評価値が多様化している。
【００１４】
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。
【００１５】
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、電子ビーム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区別する。二次電子は試料の最表面形状や電位ポテンシャルに敏感であり、デバイス構造のパターン幅の計測に有効である。また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構造の底部や下層の組成の違いなどの情報が得られる。
【００１６】
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。出射角度に応じて９０度付近を高角、４５度付近を中角、０度付近を低角反射電子と定義する。反射電子の放出分布は中角方向に最も多く、高角・低角方向に少ない、コサイン分布であることが知られている。
【００１７】
以下に、高分解能化と信号電子検出の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。具体的には、様々な加速電圧やＷＤに応じて、検出器を試料面との距離を一定に保つように可動し、短ＷＤ時には磁路間に格納されることで高分解能化と信号電子の高効率検出を両立する走査電子顕微鏡について説明する。
【００１８】
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線源と、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と、前記試料をｘ、ｙ、ｚの三軸に可動することのできる試料台を有し、前記対物レンズと前記試料台の距離が近い場合に検出面は前記対物レンズ磁路のギャップ間に配置され、前記対物レンズと前記試料台の距離が遠い場合に、前記試料表面と前記検出面の距離が一定に保たれるように前記検出面が稼動する荷電粒子線装置について説明する。
【００１９】
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。
【実施例１】
【００２０】
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、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。対物レンズコイル６と対物レンズコイル６を囲う外側磁路７、内側磁路８により構成される対物レンズ磁場により試料台９上に保持された試料に収束される。また偏向器５によって試料上を二次元走査し電子顕微鏡像を得る。高分解能化を達成する一般的な対物レンズ構成であるセミインレンズ型は対物レンズ磁路７とレンズ内側磁路８との間にギャップ部を有する。対物レンズの焦点距離は、内側磁路８下面と試料表面までの距離として定義し、その距離をワーキングディスタンス（ＷＤ）４と呼ぶ。
【００２１】
試料を保持する試料台９は駆動機構によりｘ、ｙの平面内とｚの高さ方向に駆動し、ＷＤ４を試料台９の高さによって変える。半導体ウェハのように、ｘ−ｙ方向の面積が大きな試料を対象とする場合、ｘ−ｙ方向の駆動には例えばリニアモータを駆動源とする駆動機構を採用し、大きな移動を必要としないｚ方向の移動には例えばピエゾアクチュエータを駆動源とする駆動機構を採用すると良い。
【００２２】
試料台９には負電圧が印加されており、一次電子線は放出後の加速電圧により得られるエネルギーよりも低いエネルギーで試料に照射される。試料から放出された信号電子は、対物レンズ磁場や試料台９に印加された負電圧の影響を受けながら、出射エネルギーと出射角度に応じた軌道を持つ。検出面１０は、試料から距離１１離れた位置に配置され、距離１１はＷＤ４と同じかまたはより長い。また検出面１０は対物レンズ磁路のギャップ部あるいは外側磁路７や内側磁路８の試料側の面に配置される。検出面１０により信号電子を検出する。
【００２３】
制御装置１０１は、加速電極、走査用の偏向器、及び各レンズ等の光学素子、試料台９に内蔵された駆動機構や検出器の位置を調整する駆動機構等を、予め記憶媒体１０３に記憶された動作プログラム（レシピ）に従って制御する。動作プログラムは例えば入力装置１０４から入力された動作条件によって設定することもできる。制御装置１０１は、レシピに記述された命令セットに基づいて演算や制御を実行する。プロセッサ１０２は、記憶媒体１０３に記憶されたソフトウェアプログラムに記述された命令セットを実行するために搭載されている。
【００２４】
上記検出面１０はＷＤ４に応じて位置を変更することが望ましい。図２（ａ）にＷＤ４が長い場合の反射電子の軌道模式図を示す。高角反射電子は軌道１２のように飛行し、電子顕微鏡筒内部に侵入する。中角に近い高角反射電子は軌道１３のように飛行し、内側磁路８の先端部に衝突する。中角から低角の反射電子は軌道１４のように飛行し、試料に戻る。なお、本実施例では、他の反射電子に対し、相対的にビームの光軸に近い方向に向かう反射電子を高角反射電子と称し、試料表面と平行な方向に近い方向に向かう反射電子を低角反射電子と称する。また、軌道１４のような軌道で試料に戻る電子を戻り電子と呼称する。
【００２５】
図２（ｂ）は発生した反射電子のうち、軌道１２〜１４をとる割合を示したグラフである。ある光学条件においては反射電子のおよそ７０％が戻り電子となり検出できない。また戻り電子は外側磁路７や内側磁路８と試料の間の空間内で試料に戻る軌道をもつため、反射電子の高効率検出には、距離１１を短くしなければならない。
【００２６】
図３にＷＤ４の変化に伴って検出面１０を移動させる移動機構の概略図を示す。図３（ａ）にＷＤ４が短い場合の配置を、図３ｂにＷＤ４が長い場合の配置を示す。検出面１０は支持部材１５によって保持される。対物レンズコイル６のある外側磁路７に囲まれた空間を大気圧にするため真空封止部材１７が外側磁路７に配置されている。支持部材１５は真空封止部品１７を貫通するように配置され、大気圧空間に駆動機構を有する。駆動機構１６により検出面１０を高さ方向に移動し、ＷＤ４の変化に伴い検出面１０を移動する。そのとき、検出面１０が検出面距離１１を保つように駆動する。この構成により、ＷＤ４に依存せずに信号電子の放出角度に対して同じ見込み角で検出ができる。
【００２７】
検出面１０を備える検出器は、信号電子を電気信号に変換する半導体検出器や、信号電子を光に変換し、その光を検出して電気信号に変換するＥＴ型検出器が用いられる。空間的に狭いことから一部品で構成できる半導体検出器は有効な検出器である。
【００２８】
一方で半導体デバイスの評価装置のように使われる場合はスループットが求められるため、高発光強度、高速応答性の観点からＥＴ型検出器を用いることも有効である。ＥＴ型検出器の場合、電子を光に変換するシンチレータは、荷電粒子の入射によって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。
【００２９】
光の検出には例えば光電子増倍管（ＰＭＴ）、フォトダイオード、Ｓｉ−ＰＭなどを用いることができる。ただし、対物レンズ磁場内に配置されるため、外部磁場の影響を受けにくいフォトダイオードやＳｉ−ＰＭが適している。光検出素子までの導光はライトガイドや光ファイバーを用いることもできるが、シンチレータに光検出素子を設置し、ライトガイドなどの導光部材を用いない構成もありえる。導光部材を用いる場合は導光部材が支持部材１５を兼ねることで検出器を小型化する。
【００３０】
駆動機構はボールネジのように支持部材１５そのものが駆動機構となるものでも、モータのように、支持部材１５を送り出す駆動機構でもよい。特に高い磁場中に利用することを想定された非磁性超音波モータが有効である。
【００３１】
図３に例示するような駆動機構を備えた検出器によれば、必要に応じて検出面（検出器）を対物レンズのレンズギャップ（内側磁路と外側磁路間に設けられたギャップであって、漏洩磁場が発生する部位）に収容できるため、設定される加速電圧に応じて、適切な装置条件を設定することが可能となる。具体的には、低加速電圧設定時の装置の高分解能化と、高加速電圧設定時の電子の高効率検出の両立を実現することが可能となる。
【００３２】
低加速電圧設定時には、分解能を優先して検出面をレンズギャップに収容すると共に、試料を対物レンズに近づけるようにステージのｚ駆動機構を制御し、高加速電圧設定時には、対物レンズによって集束されるビームが試料表面で焦点を結ぶように、低加速電圧設定時と比較して、試料を対物レンズから離すようにステージのｚ駆動機構を制御すると共に、対物レンズの磁路下面より下側に検出面が位置するように、検出面を支持する駆動機構を制御する。
【００３３】
本実施例では、漏洩磁場を下方（試料側）に向かって漏洩させるために、レンズギャップが下方に向かって開放されているセミインレンズを採用している。セミインレンズは、端部がビーム光軸に近い内側磁極（第１の磁極）と、端部が当該内側磁極の端部よりビーム光軸から離間して配置される外側磁極（第２の磁極）を備えたレンズであり、内側磁極と外側磁極との間に形成されるレンズギャップが試料面に対向することになる。よって、上下方向に向かって移動する検出面の移動軌道と、短ＷＤ設定時の検出面を収容する収容部を確保することができる。また、セミインレンズは、下方に向かって磁場を漏洩するタイプのレンズであるため、レンズ主面を試料に近づけることができ、且つインレンズのように試料が磁路に包囲されていないので、大型の試料にも対応することができる。
【００３４】
なお、図３は検出面１０が対物レンズのレンズギャップに完全に収容（検出面が対物レンズ磁路の最下部より上方（電子源側）に位置する状態）可能な構成例を示しているが、これに限ることはなく、例えばレンズギャップに検出面の一部が収容され、検出面の他の部分が対物レンズ磁路の最下部より下方に位置していたとしても、その非収容部分のｚ方向の寸法が、設定すべき短ＷＤ（低加速電圧設定時）より小さければ良い。即ち、部分的に収容された状態であっても、低加速設定時の短ＷＤと、高加速設定時の検出効率向上の両立を実現することが可能となる。
【００３５】
図２０は試料台９に載せられた試料のｚ方向の移動範囲と、検出面１１のｚ方向の移動範囲の関係を示す図である。図２０に例示するように、試料のｚ方向の可動範囲（試料台をｚ方向に移動させる第１の駆動機構による試料の移動可能範囲）内に、検出面が到達可能なように試料台と検出面の駆動機構（第２の駆動機構）の可動範囲が設定されている。即ち、短ＷＤのときは試料を対物レンズに近づけるように移動すると共に、検出面を試料の可動範囲から退避させるように各駆動機構を制御する。一方で、ビームの試料への到達エネルギーを相対的に高く設定したときは、長ＷＤとするように試料台を移動すると共に、検出面を降下させるように各駆動機構を制御する。
【００３６】
以上のような制御を行うことによって、上述のように低加速設定時の短ＷＤと、高加速設定時の検出効率向上の両立を実現することが可能となる。
【００３７】
図１９は、入力装置１０４の表示画面等に表示されるＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ  Ｕｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）画面の一例を示す図である。制御装置１０１は、図１９に例示するようなＧＵＩ画面から設定された視野サイズ、ビームエネルギー、加速電圧、試料電圧、ビーム電流、ＷＤ、及び検出器の位置（本例の場合、試料からの距離）等の装置条件に基づいて、各光学素子や駆動機構等を制御する。図１９の例では、ビームエネルギーが６０ｋｅＶと設定されている。ビームエネルギー（ビームの試料への到達エネルギー）は、加速電極に印加する電圧と、試料電圧の差分で決まるため、ビームエネルギーの設定に基づいて、記憶媒体に記憶された加速電圧と試料電圧のデータセットを読み出すことによって、加速電圧と試料電圧を設定しても良いし、加速電圧と試料電圧の設定に基づいて、ビームエネルギーを間接的に設定するようにしても良い。
【００３８】
また、ビームエネルギーの設定に基づいて、ＷＤを自動的に設定するようにしても良い。ビームエネルギーに所定の閾値を設定しておき、その閾値を超えるビームエネルギーが設定された場合に、低加速電圧設定時と比較して、長ＷＤとなるような設定を自動で行うようなプログラムを予め記憶媒体１０３に記憶させておいても良い。更に、ビームエネルギーとＷＤの関係を示すテーブル、或いは演算式を予め記憶しておき、設定されたビームエネルギーに応じて、自動的にＷＤの調整（試料台のｚ駆動機構の制御）を行うようなプログラムを用意することも可能である。この場合、加速電圧が大きい程、ＷＤが大きくなるようなテーブルや演算式を用意する。
【００３９】
更に、検出器の位置を予め決めておくことによって、検出器の位置を自動的に調整するようにしても良い。この場合、ＷＤの変化に追従して検出器の位置を自動調整することによって、試料と検出器との間の距離を維持するような制御を行うようにすると良い。
【００４０】
また、低加速電圧設定に応じて、自動的に短ＷＤ設定と検出器のレンズギャップへの収納を行い、高加速電圧設定に応じて、自動的に長ＷＤ設定と、検出器が試料に近づくような制御を行うようにしても良い。
【００４１】
図３に例示するような構成によれば、高加速電圧設定、低加速電圧設定の双方に適した装置条件の設定が可能となる。
【００４２】
次に、レンズギャップに収納可能な検出器の他の構成例について説明する。図４に検出面を分割した場合の配置図を示す。図４（ａ）はＷＤ４が短い場合の配置図である。図４（ｂ）はＷＤ４が長い場合の配置図であり、検出面１０が検出面距離１１を保ちながら移動したときに円環形状を構成するように形状を決定する。
【００４３】
図５に図４のように検出面を分割し内径を近づける可動方式の構造を示す。ＷＤ４が長い場合には広い角度範囲で反射電子が戻り電子となってしまうため、検出電子数を増やすためには、検出面１０を一次電子線光軸３に近づけ信号電子の放出角度に対して検出見込み角を大きくすることが有効である。
【００４４】
例えば図２（ｂ）に示される内側磁路８先端衝突軌道１３の中角反射電子を合わせて検出することが可能となり、反射電子検出量を増やすことができる。図３同様に支持部材１５で検出面を保持し、真空封止部材１７を通って駆動機構１６で可動する。このとき、方向１８に沿って可動することで、検出面距離１１の保持と内径の短縮を一軸で実現する。分割された各検出面は駆動機構１６によりそれぞれ独立に制御され位置を合わせる。
【００４５】
検出器がシンチレータ、ライトガイド、光検出素子で構成される場合、ライトガイドを直線構造で設計でき光の利用効率が向上する。また光検出素子を大気圧空間におくことができるため、素子の実装の観点からも有効である。
【００４６】
図６を用いて検出面１０の制御方式を説明する。検出面１０は支持部品１５により可動する。図５に示したような分割検出面１０の内径を狭める形の場合、方向１８に沿って一軸に動作することで高さと内径を変えることができる。試料台の高さを変える制御信号を検出面の可動量に演算して制御することで、検出面距離１１の精度が得られる。また方向１８でなく、ｘ、ｙ、ｚ方向の３軸の場合も検出面位置を規定する係数ａ、ｂ、ｃを持つことで同一制御信号による検出面の可動が可能である。
【００４７】
図７には外側磁路７の下側に貫通穴を開け、検出器を配置する構成を示す。具体的には磁路を分割し、外側磁路７の下面に下側磁路１９を配置する。図７は断面図であり、別方位の断面では下側磁路１９は外側磁路７に保持されており、一部に支持部材１５が通るための空間がある構成である。外側磁路７に支持部材１５を通した後、下側磁路１９を取り付けることで本構成を実現する。分割した検出面１０は磁路内部の空間を通り、外側磁路７の最外径よりも外側で駆動機構１６を有する。駆動機構１６は水平方向と高さ方向に検出面１０を移動させ、検出面距離１１を維持する。駆動部を試料や高電圧部から遠ざけることで摺動による異物の発生などの影響を抑えることができる。
【００４８】
図１６は、図４、５に例示した分割型の検出器を、下側（試料側）から見た図である。図１６（ａ）は、検出面１０が対物レンズのレンズギャップに収納されている状態、図１６（ｂ）は図１６（ａ）の状態から矢印方向に検出面１０を移動させることによって、４つの検出面１０を一体化した状態を示す図である。１６０１は内側磁路の試料側端部、１６０２は外側磁路の光軸側端部を示している。また、図１６に例示する検出器構造では、４つの検出面１０に加え、レンズギャップ内に検出面１０が収容されている状態で、検出面１０間に配置される第２の検出面１６０３を備えている。
【００４９】
このような構成によれば、４つの検出面１０のレンズギャップ収容時に、ビーム光軸周囲の軸対称性を高めることができ、且つ、第２の検出面１６０３でも電子の検出ができるので、検出効率を高めることが可能となる。なお、図１６の構成では４つの検出面１０が試料に向かって下降した状態で円環状となるように構成されているため、レンズ収容時は４つの検出面１０と第２の検出面１６０３は、その外形は真円ではないが、レンズギャップ収容時の軸対称性を優先して、４つの検出面１０と第２の検出面１６０３がレンズギャップに収容されているときに、外形が真円となるように各検出面を形成するようにしても良い。
【００５０】
図８を用いて検出器移動による信号電子の角度弁別検出方式について説明する。同じＷＤ４の状態で検出面距離１１を変更し、信号電子の出射点からの検出見込み角度を変えることで、例えば図２ａの軌道１３や軌道１４を選択して検出することができるようになり、検出信号電子の角度弁別効果が得られる。すなわち検出角度を選択することで試料や評価項目に応じた検出系の最適化ができる。
【実施例２】
【００５１】
図９は本実施例の基本となる構成を示す概略図である。検出面１０を真空内に配置された駆動機構１６を用いてＷＤ４が長い場合に外側磁路７の下側を通って挿入される構成である。試料台と検出器、駆動機構を一体とし、高さ方向に動かすことで検出面距離１１を一定に保ったまま動作させる。外側磁路７の下側部分が傾斜する構成であっても同様の方法が実現できる。検出面１０はシンチレータ、半導体検出器であっても良い。
【００５２】
検出面１０がシンチレータである場合、支持部材１５がライトガイドまたは光ファイバーなどの導光部材で構成され、駆動機構１６に検出器制御部を同時に搭載する。半導体検出器である場合、支持部材１５に配線を通すことが可能であり、同様に駆動機構１６に検出器制御部を搭載することができる。この駆動機構１６を高さ方向に動かすことで検出面距離１１を一定に保つように動かす。
【００５３】
直線的に移動する場合、移動中の検出器位置ぶれによる部品同士の衝突が懸念される。図１０を用いて具体的な挿入方法を説明する。図１０（ａ）は電子顕微鏡鏡筒の断面図の一部である。外側磁路７の下面に支持部材１５が通る溝２０（ガイド）をつける。支持部材１５には突起２１があり、この突起２１が溝２０に沿って動く。突起２１が溝２０端部に接触するところで検出面１０の位置が決定される。
【００５４】
ＷＤ４を短くする場合、試料可動範囲外に検出器を退避させるため、駆動機構とそのストロークを十分に確保する必要がある。また突起２１を磁路外まで移動させたのち、Ｚ方向に移動させ溝２０に検出器を収納することで、退避させる構成も考えられる。また支持部材１５を折りたたむ構成にすることで、駆動機構を遠ざけることなく検出器を試料可動範囲外に配置することが可能である。
【００５５】
また図１０（ｂ）に別形態として、支持部材１５に段差を持たせた構造を示す。段差を持つ支持部材のうち、外側磁路７下面に近い部分が、溝２０に沿って動くように配置される。試料台９がＷＤを長くするように移動した後、駆動機構により検出面１０が支持部材１５に保持され移動する。外側磁路７の溝２０端部と支持部材１５の段差部分が接触することで検出面１０の位置が決定される。図１０（ａ）、図１０（ｂ）に例示するように検出器位置にできるだけ近い位置まで支持部材１５を保持することで、検出器のぶれを抑え安定した移動ができる。
【００５６】
一方で真空内に摺動部が存在すると異物の影響がある。したがって、検出器の移動は試料台９に試料が保持されていない状態で実施し、電場などを利用して異物を試料台９周辺から除去した後に、試料を入れる必要がある。
【００５７】
駆動方法は直線に沿った挿入だけでなく、図１１に示すように外側磁路７外側付近を中心とした円運動による挿入も可能である。駆動機構１６から検出面１０までは真空雰囲気下の試料台９の中にある。円運動にすれば電子顕微鏡筒外径位置に中心をおくことで、外径を一辺とした正方形内部に構造物が収納でき、直線的挿入に比べ使用する空間を小さくすることができる。円運動による挿入の場合も、図１０同様に対物レンズ下面（対物レンズの試料への対向面）に駆動機構を中心とした円弧型の溝を形成し、溝に沿って支持部材１５を動かす構成が可能である。
【００５８】
また図１２には駆動機構に対し２つの検出器をつけた模式図を示す。検出面１０とその支持部材１５と、第二の検出面２２とその支持部材２３が一つの駆動機構１６に接続されている。加速電圧、ＷＤに応じて感度や高さの異なる検出器を複数取り付けることで、用途に応じて様々な検出器を使い分けることができる。例えば、信号電子のエネルギー弁別という観点から、検出面１０と第二の検出面２２で表面に厚みを変えた金属膜を生成し、金属膜を透過した電子のみを検出するようにすることで、エネルギーフィルターの機能を持たせることができる。
【００５９】
検出面１０は分割し、複数方向からの挿入も可能である。その場合、検出面に互い違いに凸部、凹部を作りこむことで対物レンズ磁路７と試料の間に挿入されたときに組み込ませて位置精度を向上することができる。また検出器が軸対称に構成できるため、方位角方向の信号検出効率のばらつきを低減できる。
【００６０】
なお、半導体ウェハのような大型試料を測定、検査するような装置の場合、その移動範囲は広範に亘る。図１７は、短ＷＤ時に試料の移動範囲と検出器移動用の駆動機構が干渉しないように、検出器移動用駆動機構を上下（ビーム照射方向、ｚ方向）に移動させる移動機構を備えた走査電子顕微鏡の一例を示す図である。図１７に例示するように、検出面１０を光軸外から光軸まで移動させる駆動機構１６は、当該駆動機構１６をｚ方向に移動させる駆動機構１７０１に支持されている。駆動機構１７０１は真空試料室の天板１７０２に支持されており、当該駆動機構１７０１は、短ＷＤ設定時には、検出面１０、支持部材１５、及び駆動機構１６の最下面が、試料のｘ−ｙ方向の移動軌道に干渉しない高さまで、これら部材を持ち上げる（図１７（ａ））。また、長ＷＤ設定時には、検出面１０、支持部材１５、及び駆動機構１６を下降させる（図１７（ｂ））。
【００６１】
図１７に例示する構成によれば、真空試料室内であって、対物レンズ下面と真空試料室天板との間のスペースに、駆動機構を含む検出機構が位置するように設置されているため、短ＷＤ設定時に広範な試料の移動軌道を確保しつつ、長ＷＤ設定時の高効率が可能な検出器設置を実現することが可能となる。
【００６２】
また、図１８に例示するように、内側磁路８の端部等に検出面１０の位置決めを行うためのガイド穴１９０１を設けておき、支持部材１８０２をガイド穴１８０１に嵌合させることで、検出面１０を適切な位置に位置付けるように構成しても良い。
【００６３】
図２３は、本実施例の他の形態を示す図であり、検出面１０を移動させる駆動機構として、コイル２３０４（可動子）と永久磁石２３０３（固定子）を有するリニアモータを採用した例を示す図である。図２３（ａ）は、荷電粒子線装置を光軸方向から見た図（上視図）であり、図２３（ｂ）は、荷電粒子線装置を光軸に直交する方向（ｙ方向）から見た図（側視図）である。検出面１０は、支持部材１５によって支持され、当該支持部材１５はスライドユニット２３０２に支持されている。スライドユニット２３０２は、レール２３０１に案内され、リニアモータから供給される駆動力によって、ｙ方向に移動する。
【００６４】
また、試料台９はｘ−ｙ方向に駆動機構（図示せず）から供給される駆動力によって、可動範囲２３０６内を移動する。
【００６５】
図２３に例示する荷電粒子線装置を制御する制御装置は、短ＷＤ設定時には可動範囲２３０６から検出面を退避するように、リニアモータを制御すると共に、長ＷＤ設定時には、検出面１０の開口中心と一次電子線光軸３の位置を一致させるように、リニアモータを制御する。
【００６６】
また、支持部材１５には開口２３０７が設けられており、当該開口２３０７内に検出面１０が設けられている。検出面１０はｘ−ｙ方向にそれぞれ一対ずつ設けられたピエゾアクチュエータ２３０８によって支持されている。ピエゾアクチュエータ２３０８は、検出面１０をｘ−ｙ方向に移動させるために設けられており、検出面１０位置の微調整のために用いられる。例えば検出面１０をｘ方向に移動させる場合には、ｘ方向に設けられた一対のピエゾアクチュエータには、逆相の電圧が印加され、検出面１０を微動させる。なお、図２３の例ではｘ−ｙ方向の微動機構を備えた検出面を例にとって説明したが、ｚ方向への微動機構を設けるようにしても良い。
【００６７】
短ＷＤ設定時には、試料や試料台の可動範囲を回避するように検出面を移動させると共に、長ＷＤ設定時には、対物レンズ直下に位置付けるように検出面を移動させるような制御を行うことによって、短ＷＤ設定による高分解能化と長ＷＤ設定時の検出効率の向上の両立が可能となる。また、検出面を２つの支持部材で支えているため、検出面を所定の位置に高精度に位置付けることが可能となる。一方、レール２３０１の数が少ないほうが２つのスライドユニットを同期させることについての配慮が不要となるため、レール２３０１を１本にする構成も考えられる。レール２３０１部を試料から遠ざけるなどして発塵を管理するとともに、移動による破損可能性を軽減することができる。なお、図２３では、スライドユニットを案内するレールやリニアモータの固定子を試料室床面に設置する例について説明したが、これに限ることはなく側壁や天板にこれら部材を設置するようにしても良い。
【実施例３】
【００６８】
本実施例では駆動検出器の高精度な位置調整方法について説明する。図１３を用いて試料台９に印加する電圧を利用した位置調整方法を説明する。試料台９に負電圧を印加し、試料直上に検出面１０が存在する場合、電位差によって電位分布２４が形成される。このとき検出面１０の軸（検出面１０の開口中心）が一次電子線光軸３とずれていると、一次電子線が電場によって曲げられる。その結果試料に到達する位置が試料台９に印加した電圧を変えることで変化する。この一次電子線の位置ずれをゼロにするように検出面１０の位置を合わせることで位置調整が可能となる。
【００６９】
なお、以下に説明する実施例では、検出面１０（検出面１０の開口）の位置を可視化するために、検出面１０とは異なる検出器（図示せず）を、検出面１０と電子源２との間に設け、当該検出器の出力に基づいて、検出面１０の開口を画像化する。
【００７０】
図２１は、検出面の位置合わせ工程を示すフローチャートである。なお、図１３に例示した検出面１０は、図示しない移動機構によって支持されており、例えばｘ、ｙ、ｚ方向への移動が可能である。まず、検出面の移動機構によって、一次電子線光軸３と、検出面１０の開口中心が一致するように、検出面１０を位置ＰＳに移動する（ステップ２１０１）。次に、試料電圧をＶ１に設定（ステップ２１０２）し、ステップ２１０１で設定された検出面位置を維持した状態（第１の状態）で電子ビームを走査し、ＳＥＭ画像（第１の画像）を生成する（ステップ２１０３）。更に、第１の状態にて、試料電圧をＶ２に設定（ステップ２１０４）し、その際のＳＥＭ画像（第２の画像）を生成する（ステップ２１０５）。
【００７１】
このとき試料電圧Ｖ１の状態で得られたＳＥＭ画像に含まれるパターンと、試料電圧Ｖ２の状態で得られたＳＥＭ画像に含まれるパターンとの間にずれがなければ、検出面の位置が適切な位置に設定されていることになるため検出面の位置合わせ処理を終了する。このとき、ずれがゼロ、或いはずれが所定値以下である場合に、ずれがないものと判定する。
【００７２】
ずれが有る場合、検出面１０の位置をΔｄ変化させ（ステップ２１０７）、検出面の位置をＰΔｄに位置付けた状態で、再度、試料電圧Ｖ１、試料電圧Ｖ２にてＳＥＭ画像（第３、第４の画像）を取得し、ずれ評価を行う。そして第３の画像、第４の画像を取得した時点でずれ量がゼロになっていない場合、第１の画像と第２の画像間のずれΔｄ１２と、第３の画像と第４の画像間のずれΔｄ３４を用いて、検出面の開口中心と光軸が一致する検出面位置までの移動量Δｄ０を算出する（ステップ２１０８）。
【００７３】
ここで、４つの画像を用いた移動量Δｄ０の算出法について説明する。ずれ量は図２２に例示するように、２以上の検出面の位置（ＰＳ、ＰΔｄ）で求められた試料電圧を変化させたときの画像間のずれ量（Δｄ１２、Δｄ３４）から、ずれ量と検出面の位置を変数とする関数に含まれる係数（図２２の例では直線２２０１の傾き）を、例えば連立方程式等を用いて求め、当該係数を含む関数を用いて、ずれ量がゼロとなる検出面位置ＰＭを求めることによって、Δｄ０を算出する。なお、本実施例では説明を簡単にするために、ｘ方向のずれのみを補正する例について説明したが、これに限ることは無く、ｘ、ｙの２方向の移動機構を備えた検出面の２次元方向のずれの評価に基づいて、検出面の位置調整を行うようにしても良い。
【００７４】
次に、図１４を用いて検出面１０に電圧を印加する機構を備えた場合の位置調整方法を説明する。電圧を印加すると静電レンズ２５が形成され、一次電子線に影響を与える。この静電レンズ２５の軸が一次電子線光軸３と一致していない場合、試料上に収束する一次電子線の位置が電圧値によって変化する。
【００７５】
このときの位置ずれを抑制するように検出面１０を動かすことで位置調整が可能となる。また位置調整後、規定の対物レンズ励磁量と規定の電圧による静電レンズ２５での収束値を評価することで、高さ方向の位置調整ができる。検出面１０が分割されている場合、各検出面１０に電圧を印加する。例えば４分割している場合、静電レンズ２５はｘ、ｙ方向の二次元分布を持つ。各制御電圧を一定にし、静電レンズの強度を電圧によって制御しながら位置ずれとずれる方向を観測することにより、分割した検出面１０をそれぞれ独立に制御することができる。また電圧をうまく制御することにより、一次電子線の収束などの制御にも応用できる。
【００７６】
また、図２１に例示したようなフローチャートに従って、検出面の位置合わせを行うようにしても良い。
【００７７】
図１５（ａ）を用いて電子顕微鏡画像を用いた位置調整方法について説明する。偏向器５により一次電子線を検出面上面で走査して二次元画像を取得すると、図１５（ｂ）に例示するように、中心に円形があり、外周部が検出面上面となる画像が得られる。この円の中心を画像中心に合わせるように位置を動かすことで、検出面の位置調整が可能となる。また検出面１０の輝度分布や、中心の円の真円度を調べることで検出面１０が一次電子線光軸３に対して傾斜していることを調べることが可能であり、水平方向と面傾きを調整することが出来る。また一次電子線を検出面１０に収束させるための対物レンズ励磁量を評価することで高さ方向の位置を知ることが出来るため、規定の励磁量になるように高さを合わせることで検出面の位置調整が実施できる。
【００７８】
例えば、適正な検出面高さとなるときの検出面上面位置に、焦点を合わせるときの対物レンズの励磁条件（レンズ条件）を予め記憶媒体１０３に記憶しておき、検出面の高さ調整時に、当該記憶されたレンズ条件となるように対物レンズを制御する。そして、このレンズ条件を維持した状態で、検出面の高さを変化させつつ、画像の焦点評価値を評価し、焦点評価値が最も高くなる、或いは所定値以上となる検出面位置となるように、検出面位置を調整する。
【符号の説明】
【００７９】
１…電子顕微鏡鏡筒、２…電子源、３…一次電子線光軸、４…磁路と試料面の距離（ＷＤ）、５…偏向器、６…対物レンズコイル、７…外側磁路、８…内側磁路、９…試料台、１０…検出面、１１…検出面と試料面の距離、１２…内側磁路を抜ける高角反射電子の軌道、１３…内側磁路８に衝突する中角反射電子の軌道、１４…試料に戻る低角反射電子の軌道、１５…支持部材、１６…駆動機構、１７…真空封止部材、１８…可動方向、１９…下側磁路、２０…磁路の溝、２１…支持部材にある突起、２２…第二の検出面、２３…第二の支持部材、２４…電位分布、２５…静電レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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