(57)【要約】【課題】  投影電子光学系の条件が照明電子光学系の設計の制約となることを緩和し、照明電子光学系の設計の自由度を増した写像型電子顕微鏡を提供する。【解決手段】  試料５から光軸に平行に放出された発生電子６ｂ（主光線）は、カソードレンズにより集光され１点で光軸３と交わる。この点が第１クロスオーバとなる。発生電子６ｂはカソードレンズ７４ａにより光軸に平行とされて電磁プリズム２の位置に結像し、スティグメータ７を通ってズームレンズ８ａに入射し、再び集光されて１点で光軸３と交わる。この位置が第２クロスオーバとなる。この第２クロスオーバ位置に開口絞り１１が設けられている。これにより、第１クロスオーバ位置に開口絞りを設ける必要が無くなるので、照明電子光学系の設計が容易になる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線源より放出される照明用電子線を、照明電子光学系を介して電磁プリズムに入射させ、当該電磁プリズムを通過した前記照明用電子線を、対物電子光学系を介して試料面に照射し、試料面から発生する電子を、前記対物電子光学系を介して前記電磁プリズムに導き、前記電磁プリズムを通過した前記電子を結像電子光学系を介して検出器に導き、前記試料面の像を前記検出器の検出面に結像させることにより、前記試料面の観察を行う写像型電子顕微鏡であって、前記照明用電子線は前記試料面をケーラー照明するようにされており、前記対物電子光学系が、物体側テレセントリックな光学系とされており、前記試料面の像を前記検出器の結像面に結像させる投影結像電子光学系中の電子光学系（前記対物電子光学系、前記電磁プリズム、前記結像光学系を含む）において、前記投影結像光学系の開口絞りが、当該投影結像光学系における、前記試料面である物体面から数えて２番目の電子線のクロスオーバ（第２クロスオーバ）位置に設けられていることを特徴とする写像型電子顕微鏡。
【請求項２】
前記投影結像光学系における、前記物体面から数えて１番目の電子線のクロスオーバ（第１クロスオーバ）位置に、前記照明用電子線の有効範囲を遮ることなく、かつ、前記投影結像光学系の開口絞りを通る電子線を遮ることのない大きさの絞りが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の写像型電子顕微鏡。
【請求項３】
前記電磁プリズムと前記開口絞りとの間に、前記電磁プリズムの非点収差を補正するスティグメータが設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の写像型電子顕微鏡。
【請求項４】
前記投影結像電子光学系がズームレンズを有するものであって、当該ズームレンズと前記電磁プリズムの間にリレー光学系を有し、前記第２クロスオーバは、前記リレー光学系中に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の写像型電子顕微鏡。
【請求項５】
前記リレー光学系は、第１のレンズにより、前記試料面の第１の中間像を第２の中間像として結像させるものであり、第２のレンズが前記第２の中間像位置に設けられているものであることを特徴とする請求項４に記載の写像型電子顕微鏡。
【請求項６】
前記ズームレンズが２つのレンズからなり、当該２つのレンズは、光軸に直角な面を対称面とする面対称に構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の写像型電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子線を試料面に照射させ、その結果発生する２次電子、反射電子等を用いて、物体面の観察、検査等を行う写像型電子顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
写像型電子顕微鏡は、電子線光学系を使用して、電子線を試料面に照射し、その結果発生する２次電子や反射電子を、電子線光学系を使用して検出装置の検出面に結像させ、２次元的に試料面を観察するものである。これは、ＳＥＭと異なり走査回数を減らすことができるので、試料観察時間を短縮することができ、半導体等のマイクロデバイスの検査装置として注目されている。
【０００３】
このような写像型電子顕微鏡として考えられているものの例を、図５に示す。カソード３１から射出した照射ビーム３４は、ウェネルト電極４４、第１アノード４５、第２アノード４６、照明電子光学系３２を通過して、電磁プリズム３３に入射する。照射ビーム３４は、電磁プリズム（Ｅ×Ｂ）３３によって、その光路が変更された後、対物電子光学系３７を通過して、試料３６を面照明する。
【０００４】
試料３６に照射ビーム３４が入射すると試料３６からは、その表面形状、材質分布、電位の変化などに応じた分布の２次電子、後方散乱電子及び反射電子（発生電子３８と総称する）が発生する。この発生電子３８は、対物電子光学系３７、電磁プリズム３３、結像電子光学系３９を通して、ＭＣＰ(Micro Channel Plate)検出器４０上に投影され、光写像光学系４２を通過して、ＣＣＤカメラ４３に画像が投影される。なお、３５は試料ステージである。
【０００５】
このような写像型顕微鏡の主要部における電子線の光路を図６に示す。図６において、対物電子光学系３７は、レンズ３７ａ、３７ｂと、開口絞り３７ｃからなるものとし、結像電子光学系３９は、レンズ３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄからなるものとして示してある。
【０００６】
照射ビーム３４は、レンズ３７ａの働きにより収束してから広がり、レンズ３７ｂの働きにより、試料３６を垂直（テレセントリック）に照明する。照射ビームが収束する位置が、投影結像光学系における第１クロスオーバ位置である。試料３６の光軸上の点から発生した発生電子３８ａは、対物電子光学系３７を出た後、電磁プリズム３３の位置で収束し、その後、レンズ３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄの作用を受けて、ＭＣＰ検出器上に結像する。
【０００７】
試料３６の光軸上から離れた点から、光軸に垂直な方向に放出された発生電子３８ｂ（主光線）は、第１クロスオーバ位置を通り、図に示すように、レンズ３９ａ、３９ｂ、３９ｃ、３９ｄの働きを受けて、光軸と２回交差する。第１クロスオーバ位置の後で最初に光軸と交差する位置を第２クロスオーバ位置と呼んでいる。開口絞り３７ｃが、第１クロスオーバ位置に設けられているので、発生電子３８ｂが主光線となり、対物電子光学系、結像電子光学系を含んだ投影電子光学系の開口角は、開口絞り３７ｃによって決定される。
【０００８】
なお、照明ビーム３４は、試料３６をケーラー照明するようになっている。即ち、図５における照明電子光学系３２中に設けられた開口絞り（図示せず）と、第１クロスオーバ位置が共役の関係にあるようにされている。開口絞り３７ｃは、投影電子光学系の開口角を決定するために設けられたものであり、本来照明電子光学系にとっては無くてもよいものである。
【０００９】
なお、レンズ３９ａと３９ｂとはズームレンズとして働き、印加電圧変更により、レンズ３９ａと３９ｂのパワーバランスを変更して、結像倍率を変えることができる。又、レンズ３９ｃと３９ｄは投影レンズとして作用する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、図６に示すような光学系には以下のような問題点があった。すなわち、第１クロスオーバに設けられた開口絞り３７ｃの開口が小さい場合、それにより照明電子光学系からの照射ビームが蹴られてしまう可能性があることである。よって、投影電子光学系の条件を考慮して照明電子光学系を設計しなければならず、このことが照明電子光学系の設計の自由度を制限する要因となっていた。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、投影結像電子光学系の条件が照明電子光学系の設計の制約となることを緩和し、照明電子光学系の設計の自由度を増した写像型電子顕微鏡を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するための第１の手段は、電子線源より放出される照明用電子線を、照明電子光学系を介して電磁プリズムに入射させ、当該電磁プリズムを通過した前記照明用電子線を、対物電子光学系を介して試料面に照射し、試料面から発生する電子を、前記対物電子光学系を介して前記電磁プリズムに導き、前記電磁プリズムを通過した前記電子を結像電子光学系を介して検出器に導き、前記試料面の像を前記検出器の検出面に結像させることにより、前記試料面の観察を行う写像型電子顕微鏡であって、前記照明用電子線は前記試料面をケーラー照明するようにされており、前記対物電子光学系が、物体側テレセントリックな光学系とされており、前記試料面の像を前記検出器の結像面に結像させる投影結像電子光学系中の電子光学系（前記対物電子光学系、前記電磁プリズム、前記結像光学系を含む）において、前記投影結像光学系の開口絞りが、当該投影結像光学系における、前記試料面である物体面から数えて２番目の電子線のクロスオーバ（第２クロスオーバ）位置に設けられていることを特徴とする写像型電子顕微鏡（第２クロスオーバ）位置に設けられていることを特徴とする写像型電子顕微鏡（請求項１）である。
【００１３】
本手段においては、投影結像光学系の開口絞りが第２クロスオーバ位置に設けられている。よって、従来開口絞りが設けられていた物体面から数えて１番目の電子線のクロスオーバ（第１クロスオーバ）位置には、開口絞りを設ける必要がないので、開口絞りが照明電子光学系の設計の制約となることが無くなる。
【００１４】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記投影結像光学系における、前記物体面から数えて１番目の電子線のクロスオーバ（第１クロスオーバ）位置に、前記照明用電子線の有効範囲を遮ることなく、かつ、前記投影結像光学系の開口絞りを通る電子線を遮ることのない大きさの絞りが設けられていることを特徴とするもの（請求項２）である。
【００１５】
第１の手段において、従来、第１クロスオーバ位置に設けられていた開口絞りを完全に取り外した場合、多くの発生電子が第１クロスオーバ位置より後側の光学系に達することになり、これらのものがレンズ等の光学要素に衝突してこれらを汚したり、これらの発生電子によるクーロン効果により結像特性が悪化したりすることがある。そこで、本手段においては、照明用電子線の有効範囲を遮ることなく、かつ、投影結像光学系の開口絞りを通る電子線を遮ることのない大きさの絞りを第１クロスオーバ位置に設けている。この絞りは、前述のような大きさのものであるので、照明用電子線に影響を与えたり、投影結像光学系に必要とされる電子線に蹴られを起こしたりすることがない。そして、余分な電子線を第１クロスオーバ位置でカットすることにより、それ以後の光学要素を汚したり、クーロン効果を増加させたりすることを防止することができる。
【００１６】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記電磁プリズムと前記開口絞りとの間に、前記電磁プリズムの非点収差を補正するスティグメータが設けられていることを特徴とするもの（請求項３）である。
【００１７】
電磁プリズムは、これを通る光線を電場方向で収束するため、第２クロスオーバ位置では、電子線の収束位置が、電磁プリズムの電場方向と磁場方向で異なってくる。開口絞りを設ける位置は一つしかないので、試料から光軸に平行に放出された電子は、電磁プリズムの電場方向と磁場方向によって、開口絞りの中心を通らないことになる。従って、試料側での軸外点のテレセントリック結像を行うことができなくなり、収差が悪化する。
【００１８】
本手段においては、主として電磁プリズムにより発生する第２クロスオーバの位置隔離（第２クロスオーバ位置が電磁プリズムの電場方向と磁場方向で異なってくること）をスティグメータによって補正し、開口絞りはその場合の第２クロスオーバの位置に置くようにしている。よって、試料から光軸に平行に放出された全ての電子は開口絞りの中心を通ることになり、上述のような問題が解決される。
【００１９】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、前記投影結像電子光学系がズームレンズを有するものであって、当該ズームレンズと前記電磁プリズムの間にリレー光学系を有し、前記第２クロスオーバは、前記リレー光学系中に設けられていることを特徴とするもの（請求項４）である。
【００２０】
図６に示されるように、従来の写像型電子顕微鏡においては、第２クロスオーバ位置は、ズームレンズ系の中に形成される。しかし、ズームレンズの性質上、倍率を変化させるとこのクロスオーバ位置は移動するので、このような光学系においては、第２クロスオーバ位置に開口絞りを置くようにすることは困難である。
【００２１】
そこで、本手段においては、ズームレンズと電磁プリズムの間にリレー光学系を設け、このリレー光学系中に第２クロスオーバを形成して、その位置に開口絞りを置くようにしている。
【００２２】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第４の手段であって、前記リレー光学系は、第１のレンズにより、前記試料面の第１の中間像を第２の中間像として結像させるものであり、第２のレンズが、前記第２の中間像位置に設けられているものであることを特徴とするもの（請求項５）である。
【００２３】
後に発明の実施の形態において説明するように、リレー光学系をこのような構成とすることにより、従来多用されてきたリレー光学系に比して、第１の中間像面と第１レンズとの間の距離を長くとることができ、そこにスティグメータをおくことが容易になる。逆に言えば、スティグメータを設けた場合に、リレー光学系の長さを、従来のものを使用した場合より短くすることができ、写像型電子顕微鏡全体の長さを短くできると共に、クーロン効果を低減できる。又、ズーム光学系と組み合わせて調整を行うことにより、第３の中間結像面でのテレセン性を改善できる。
【００２４】
なお、本手段において、第１の中間像面、第１レンス等、第何のという言葉を使用しているが、これは他のものとの区別をするためのものであり、例えば、第１中間像が光学系において最初の中間像であったり、第１レンズが光学系において最初のレンスであったりすることを意味するものではない。
【００２５】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、前記ズームレンズが２つのレンズからなり、当該２つのレンズは、光軸に直角な面を対称面とする面対称に構成されていることを特徴とするもの（請求項６）である。
【００２６】
本手段においては、ズーム光学系を構成する２つのレンズが光軸に直角な面を対称面とする面対称に構成されているので、互いの収差が打ち消し合う方向に働き、収差の悪化を防止することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、投影電子光学系の条件が照明電子光学系の設計の制約となることを緩和し、照明電子光学系の設計の自由度を増した写像型電子顕微鏡を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明するが、これらの写像型電子顕微鏡の全体構成は図５に示したものと従来のものと同じであり、電磁プリズムに至るまでの照明電子光学系は従来のものと変わるところがないので、以下の説明においては、対物電子光学系を含む投影結像電子光学系についてのみ説明を行う。
【００２９】
図１は、本発明の実施の形態である写像型電子顕微鏡における投影結像電子光学系の概要を示す図である。図は、ズーム系が等倍結像となる倍率の状態を示している。照明電子光学系よりの照射ビーム１は、電磁プリズム２の働きにより投影結像光学系の光軸３に沿うように方向を曲げられる。照射ビーム１は、カソードレンズ４ａの働きにより収束してから広がり、カソードレンズ４ｂの働きにより、試料５を垂直（テレセントリック）に照明する。照射ビーム１が収束する位置が、投影結像光学系における第１クロスオーバ位置となるようにされている。
【００３０】
試料５の光軸上の点から発生した発生電子６ａは、カソードレンズ４ｂで光軸３に平行となり、カソードレンズ４ａにより電磁プリズム２の位置に集光される。そしてスティグメータ７を通り、リレーレンズ８ａ、８ｂによりリレーされてズームレンズ９ａに入射する。このとき、発生電子６ａは、リレーレンズ８ｂの位置で光軸と交わるようにされている。発生電子６ａは、ズームレンズ９ａと９ｂの間では光軸３に平行となる。ズームレンズ９ｂを出た発生電子６ａは、投影レンズ１０ａに三回目の結像を行い、さらに投影レンズ１０ｂによりＭＣＰに投影される。
【００３１】
一方、試料５から光軸に平行に放出された発生電子６ｂ（主光線）は、カソードレンズにより集光され１点で光軸３と交わる。この点が第１クロスオーバとなる。発生電子６ｂはカソードレンズ４ａにより光軸に平行とされて２の位置に結像し、スティグメータ７を通ってリレーレンズ８ａに入射し、再び集光されて１点で光軸３と交わる。この位置が第２クロスオーバとなる。この第２クロスオーバ位置に開口絞り１１が設けられている。
【００３２】
その後、発生電子６ｂは、リレーレンズ８ｂで光軸に平行とされ、ズームレンズ９ａ、９ｂを通って再び光軸に平行とされ、投影レンズ１０ａにより投影レンズ１０ｂの位置で光軸３と交わるようにされ、その後ＭＣＰに入射する。
【００３３】
なお、図に示した状態では、ズーム光学系を出た発生電子６ｂは光軸に平行になり、投影レンズ系に垂直（テレセントリック）に入射するようになっているが、ズームの倍率を変えるとこの関係が代わり、このような関係が保てなくなる。この点については後に説明する。
【００３４】
第１クロスオーバ位置には、補助絞り１２が設けられている。この補助絞りは、結像に全く寄与しない発生電子が、その後の光学系に入射して、レンズ等の光学要素を汚したり、クーロン効果を増大させたりすることを防ぐもので、結像に寄与する発生電子が蹴られたり、有効な照射ビーム１が遮蔽されたりすることの無いような大きな開口を有するものである。
【００３５】
スティグメータ７により、前述のように、電磁プリズム２による第２クロスオーバ位置の隔差を補正し、第２クロスオーバ位置に開口絞り１１を設ける。従来の写像型電子顕微鏡においては、第１クロスオーバ位置に開口絞りを設けていたので、第２クロスオーバの位置隔差を補正する必要が無かった。しかし、第２クロスオーバに開口絞りを設けている本発明においては、これを設けることが必要になる。
【００３６】
図１に示す光学系においては、リレーレンズ８ａにより第２クロスオーバを形成し、リレーレンズ８ｂの位置に像面（試料５と共役な面）を設けている。この技術的な意味について図２を用いて説明する。図２は、従来使用されていたリレー光学系と図１に用いられているリレー光学系を比較して示した図である。
【００３７】
図２において、（ａ）は従来のリレー光学系を示す図であり、中間像面２１の像を、別の中間像面２２にリレーするものである。このため、リレーレンズ２３と２４を使用し、中間像面２１の像を中間像面２２にＭ倍に倒立結像させている。中間像面２１とリレーレンズ２３の距離Ｌ２は、リレーレンズ２３の焦点距離ｆ１と等しい。中間像面２１と中間像面２２の距離Ｌ１は、２ｆ１（１＋Ｍ）となる。
【００３８】
これに対し（ｂ）は、図１で用いられているリレー光学系を示す図であり、中間像面２１の像を、別の中間像面２２にリレーするものであり、中間像面２１の像を中間像面２２にＭ倍に倒立結像させている点では（ａ）に示した従来のリレー光学系と同じであるが、結像をリレーレンズ２３のみで行い、リレーレンズ２４を中間像面２２と同じ位置に置いているところが異なっている。
【００３９】
このため、図に示すようにＬ１＝Ｌ２（１＋Ｍ）となる。中間像面２１と中間像面２２の距離Ｌ１及び結像倍率Ｍを同じにした場合、（ｂ）におけるＬ２の長さを（ａ）におけるＬ２の長さの２倍にすることができ、この間にスティグメータを置くスペースができる。よって、スティグメータを置いても、リレー光学系の長さを長くしないで済むことになる。
【００４０】
リレー光学系を（ｂ）のようなものにすることにより、ズーム光学系において像倍率の変化によって、結像面でのテレセン性が崩れるのを、緩和することも可能である。図３を用いてこのことを説明する。
【００４１】
図３（ａ）は、像倍率が１倍のときの光路を示す図である。図２（ｂ）に示すようなリレー光学系を通った主光線は、平行に進み、ズームレンズ２５とズームレンズ２６の作用により、中間像面２２の像を中間像面２７に倒立結像する。このときは中間像面２７でのテレセン性は保たれている。
【００４２】
図３（ｂ）は、像倍率を３倍にしたときの光路を示す図である。このとき、ズームレンズ２６のパワーはゼロとされている。この状態で、リレーレンズ２４のパワーを図３（ａ）と同じにしておくと、リレーレンズ２４を出射する主光線は光軸と平行のままとなり、主光線は実線で示すような光路をたどって中間像面２７に到達する。図に示すように中間像面２７におけるテレセン性は崩れている。
【００４３】
この状態で、リレーレンズ２４のパワーを強めると、主光線は破線で示すような光路を進み、２７におけるテレセン性は改善される。このことにより、軸外点での歪と横収差を改善することができる。
【００４４】
図４は、図１におけるズームレンズ９ａ、９ｂの電極構成を示す図であり、光軸３を含んだ面で切断した断面図である。各ズームレンズ９ａ、９ｂは、それぞれＧＮＤ電極２８、印加電極２９、ＧＮＤ電極３０の組み合わせでできており、各電極を光軸３に垂直な面で切断した面は円形となっている。
【００４５】
ズームレンズ９ａとズームレンズ９ｂは同じものであって、ただ、その電極の配置が、光軸３に直角なある面に対して鏡像の関係にあるように配置されている。このように、同じ電極を、鏡像関係にあるように配置してズーム系を構成することには、以下に示すようなメリットがある。
【００４６】
低倍結像を行うときは、大きい視野サイズを用いるので、一般的に歪みと横色収差は大きくなる。本実施の形態は１〜３倍のズームを行うことを前提としているが、低倍結像、すなわち倍率が１のとき、図３（ａ）に示すように、電子軌道は第３クロスオーバ位置に対してほとんど対称となり、入り出側テレセントリックな光学系に近くなるようになっている。この場合、２つのズームレンズ９ａ（２５）、９ｂ（２６）の歪みと横色収差は相互にキャンセルするので、低倍結像時のの収差は低減される。
【００４７】
又、ズーム系の長さはなるべく短い方が好ましいが、短くしようとするとズームレンズ９ａ、９ｂの焦点距離を短くする必要があり、そのためには、各電極の内径を小さくするか、アノード２９に印加する電圧を高くしなればならない。印加電圧を高くするとその分電源装置のコストが高くなるので、実際には各電極の内径を小さくすることで対処する方が好ましい。この場合、近軸領域が狭くなるので収差は悪くなる。しかし、図４のような電極配置とすることにより、２つのズームレンズ９ａ（２５）、９ｂ（２６）の収差がキャンセルされるので、収差の悪化が軽減される。
【００４８】
さらに、２つのズームレンズ９ａ、９ｂを同じものとすることにより、組み立てや部品調達が容易となり、コストが削減される。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態である写像型電子顕微鏡における投影結像電子光学系の概要を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態に使用されているリレー光学系の作用を説明するための図である。
【図３】ズーム光学系において像倍率の変化によって、結像面でのテレセン性が崩れるのを、緩和する方法を説明する図である。
【図４】図１におけるズームレンズ９ａ、９ｂの電極構成を示す図である。
【図５】写像型電子顕微鏡として考えられているものの概要を示す図である。
【図６】図５に示す写像型顕微鏡の主要部における電子線の光路を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…照射ビーム、２…電磁プリズム、３…光軸、４ａ…カソードレンズ、４ｂ…カソードレンズ、５…試料、６ａ…発生電子、６ｂ…発生電子、７…スティグメータ、８ａ…ズームレンズ、８ｂ…リレーレンズ、９ａ…ズームレンズ、９ｂ…ズームレンズ、１０ａ…投影レンズ、１０ｂ…投影レンズ、１１…開口絞り、１２…補助絞り、２１…中間像面、２２…中間像面、２３…リレーレンズ、２４…リレーレンズ、２５…ズームレンズ、２６…ズームレンズ、２７…中間像面、２８…ＧＮＤ電極、２９…印加電極、３０…ＧＮＤ電極
【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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