(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次電子線を試料に照射することにより試料から出射される電子を検出器で検出することによって像を得る電子顕微鏡であって、
電子源と、
前記電子源から放出された前記一次電子線を前記試料上に収束する対物レンズと、
前記対物レンズと前記試料の間となるように配置される制御電極と、
前記対物レンズと前記検出器との間に配置され、反射電子の衝突によって二次電子を発生させる二次電子変換電極と、
前記二次電子を上方に引き上げる引き上げ電極と、
異なるエネルギーを有する電子を分離するエネルギーフィルタと、
前記二次電子変換電極と前記引き上げ電極と前記エネルギーフィルタへの印加電圧の組み合わせを選択する制御演算手段と、を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
前記制御演算手段は、前記試料から出射される反射電子の検出角度範囲の情報に基づき、あらかじめ決められた電圧値を自動的に選択するものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項２に記載の走査電子顕微鏡において、
前記情報は、予め決められた複数の検出角度範囲の中から選択されるものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
前記制御演算手段は、前記試料から出射される反射電子の予め決められた複数の検出角度範囲の中から選択される情報に基づき、対応した撮像条件の制御パラメータを自動的に選択するものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項４に記載の走査電子顕微鏡において、
前記制御演算手段は、観察する試料の情報に基づき、観察に適した前記検出角度範囲を自動的に選択するものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
前記対物レンズの上側磁極が前記二次電子変換電極を兼ねることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
前記制御演算手段は、前記試料から出射される反射電子の検出角度範囲の情報に基づき、前記エネルギーフィルタへの印加電圧の異なる二枚の画像を自動的に取得し、その差分画像を作成するものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項８】
請求項７に記載の走査電子顕微鏡において、
前記二枚の画像のうちの一方の画像取得の際、前記エネルギーフィルタの電圧が前記二次電子変換電極の電圧より低く設定されることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項９】
請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
前記制御演算手段は、前記試料から出射される反射電子の検出角度範囲の情報に基づき、複数の電圧の組み合わせで自動的に画像を取得し、その差分画像を作成するものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１０】
請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
前記二次電子変換電極と前記引き上げ電極の電位差を大きくすることで検出可能な反射電子の角度範囲を広げることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１１】
請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
前記一次電子線の前記試料への入射エネルギーを下げることで前記試料からの高角度の反射電子を取得することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１２】
請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
前記試料は磁気ヘッド試料であり、
前記制御電極の電圧は、前記試料より負に設定されるものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１３】
請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
前記二次電子変換電極の電位は、負に設定されるものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１４】
請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
前記引き上げ電極の電位は、前記二次電子変換電極の電位よりも相対的に正に設定されるものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１５】
電子源と、
前記電子源から放出された一次電子線を試料上に収束する対物レンズと、
前記対物レンズと前記試料の間となるように配置され、前記一次電子線の照射により前記試料から出射された二次電子と反射電子とを弁別するための制御電極と、
前記対物レンズの一部を構成し、前記反射電子の衝突によって二次電子を発生させる上側磁極兼二次電子変換電極と、
前記上側磁極兼二次電子変換電極から発生した二次電子を上方に引き上げる引き上げ電極と、
前記引き上げ電極の上方に配置され、前記上側磁極兼二次電子変換電極から発生した二次電子と前記試料から出射された反射電子とを弁別するためのエネルギーフィルタと、
前記上側磁極兼二次電子変換電極、前記引き上げ電極、前記エネルギーフィルタへの印加電圧を制御する制御演算手段と、を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は試料表面に電子ビームを照射し、試料から発生する二次信号を検出することで試料表面の形状あるいは組成等を表す二次元の走査像を得る走査電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査電子顕微鏡は、加速型または電界放出型の電子源から放出された電子を加速し、静電レンズ、または磁界レンズを用いて細い電子ビーム（一次電子線）とし、該一次電子線を観察する試料上に二次元走査し、該一次電子線照射で試料から二次的に発生する二次電子または反射電子等の二次信号を検出し、検出信号強度を一次電子ビームの走査と同期して走査されるブラウン管等の表示装置の輝度変調入力とすることで二次元の走査像を得る装置である。
【０００３】
一次電子線の照射によって試料から発生する二次信号は広いエネルギー分布を有する。例えば、試料に入射した一次電子は固体表面の原子により弾性散乱され、試料表面を飛び出す電子がある。これは反射電子と呼ばれ、一次電子線と同等、あるいはある程度高いエネルギーを有する。また、試料に入射した一次電子が試料内の原子と相互作用し、試料内の電子が励起されて運動エネルギーを得て外部に放出される電子がある。これは二次電子と呼ばれ、０ｅＶから５０ｅＶ程度までの範囲のエネルギーを有する。
【０００４】
二次電子と反射電子は発生原因の違いゆえに個々に固有の情報を有している。低いエネルギーの二次電子は試料内から脱出できる深さが小さいため、試料表面の微細構造を高い分解能で得られる。高いエネルギーの反射電子は種々の方向の仰角成分を持ち、仰角ごとに得られる試料の情報が異なる。なお、ここでは反射電子の仰角を、照射された一次電子線の光軸と、反射電子が試料表面から放出される方向との成す角度と定義する。大きな仰角を持つ反射電子（高角成分）は、内部情報や組成情報に加えて表面情報も比較的多く含まれている。二次電子では強いエッジコントラストが得られる特徴を持つが、大きな仰角の反射電子を観察することでエッジコントラストを抑えて表面情報を得ることができる利点がある。また、小さな仰角を持つ反射電子（低角成分）は、試料の表面情報が乏しい反面、組成情報に敏感である。試料から出射する二次電子と反射電子は以上のような試料情報を持つため、従来は観察する試料に応じて二次電子信号や反射電子信号を選択することで試料の所望の情報を得、この情報を強調した画像を得てきた。
【０００５】
走査電子顕微鏡で観察する対象は半導体素子から生体試料まで多岐にわたる。半導体素子の観察や計測では、これまでは主に二次電子像が用いられてきたが、試料形状の複雑化により目的に即した試料情報を得るために反射電子信号を用いる必要性が増している。しかし、試料から出射される反射電子の数は二次電子に較べて５分の１以下と少ない上に高い運動エネルギーを持つために電極により軌道を制御することが困難である。従来の走査電子顕微鏡の構成では反射電子の多くは検出器に到達する前に電極や装置の壁面に衝突するために検出できず、上記の理由により二次電子像に較べて反射電子像は観察や計測に充分なＳ／Ｎが得られなかった。この問題を解決するために、特許文献１では反射電子の衝突によって二次電子を発生させる二次電子変換電極と二次電子変換電極で発生した二次電子を引き上げるための引き上げ電極を設置して試料から低い角度で発生した反射電子を効率良く検出することで反射電子の検出率を従来よりも向上する手法を開示している。また、特許文献２では特許文献１と同様の装置構成を用いて反射電子の検出率を向上し、さらに、含まれる試料情報の異なる３種類の二次信号（二次電子、低角度の反射電子、高角度の反射電子）をそれぞれ任意の比率で加算することで観察目的に応じた最適な試料信号を生成する手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第ＷＯ００／１９４８２号パンフレット
【特許文献２】特開２００２−１１００７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来技術により走査電子顕微鏡において反射電子の検出率が向上できるようになった。また、二次電子信号と反射電子信号を加算する比率を観察試料に応じて変えることで観察目的に即した画像を得ることができるようになった。
【０００８】
そこで発明者らは、一例として図５Ａに示す断面構造の穴を有する試料において、反射電子や二次電子を用いることにより、具体的にどのような情報が得られるかについて検討を行った。
図５に取得する信号電子の選択によるプロファイルの違いの一例を示す。ここでは、深い穴あるいは溝が作成された試料を例として示す。試料に電子線を照射すると様々な仰角で二次電子と反射電子が出射する。二次電子はエネルギーが低いため、図５Ａに示すように外部の電界の影響を大きく受け、特に分解能を向上するために用いられるリターディング法の電圧条件では、リターディング電界により試料から引き上げられて検出される。ラインプロファイルは図５Ｂに示すように、パターンのエッジ部分で二次電子が多く放出されるエッジ効果により、穴の端の部分にピークが観察される。このピークはホワイトバンドと呼ばれ、ホワイトバンドを用いて穴の寸法が計測される。パターンのトップ部とボトム部のコントラストは、それぞれの部分の材料の二次電子放出効率に依存したコントラストが観察される。反射電子に関してはエネルギーが充分高いため、ボトム部で発生した反射電子のうち高角成分はリターディング電界により穴から引き上げられる前に側面に衝突して穴から脱出することができない（図５Ｃ）。一方、トップ部から出射した反射電子は全ての仰角成分が試料外へ出射することが可能である。この状態で得られた反射電子信号をもとに画像を取得すると、トップ部とボトム部の反射電子放出効率の差と検出率の差に従ったコントラストが観察される（図５Ｄ実線）。ここで、ボトム部で検出されない角度成分を除いて反射電子を選択して検出すると、試料構造に起因した検出率の差の影響を取り除くことができ、トップ部とボトム部の純粋な材料コントラストを得ることができる。または、ボトム部で検出されない仰角成分のみを取得して画像を作成すると、トップ部とボトム部のコントラストを強調した画像を得ることができる（図５Ｄ破線）。さらに、ボトム部に構造がありそのパターン形状を調べたい場合には、少し角度を持つ成分のみを検出することでボトム部のパターン形状を強調して観察することが可能となる。このように、特定の角度の反射電子を選択して検出することで材料コントラストの強調やパターン形状の鮮明化が可能となる。すなわち、観察対象の試料構造や観察目的の多様化により反射電子の放出角度を任意に選択して検出することが有効であることが分かった。
【０００９】
しかしながら、上記従来技術では検出する反射電子の放出角度を高角度と低角度の二種類でのみしか分類しておらず、任意の放出角度の反射電子を選択して検出する手法は開示されていない。また、特許文献１では低角度の反射電子と高角度の反射電子により発生した二次電子を分けて検出するために二次電子偏向器を用いているが、後者の二次電子は引き上げ電極により加速されているために前者とのエネルギー差は小さく、二次電子のみを偏向しようとしても低角度の反射電子も変更されて検出率が低下することが予想される。
【００１０】
本発明は以上のような課題を解決するためのものであり、本発明の目的は、試料の形状や材料に応じて任意の放出角度の反射電子を検出することのできる走査電子顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、走査電子顕微鏡の対物レンズと試料の間に制御電極と、前記対物レンズの上側磁極と検出器の間に反射電子の衝突によって二次電子を発生させる二次電子変換電極と、前記二次電子を引き上げる引き上げ電極と、エネルギーフィルタとを設置し、二次電子変換電極と引き上げ電極、エネルギーフィルタの電圧の組み合わせを選択して反射電子の検出角度範囲を制御する。また、オペレータが検出する角度範囲を選択することにより、二次電子変換電極と引き上げ電極に決められた電圧値と、対応した撮像条件の制御パラメータが制御テーブルを参照して自動的に選択される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の構成によれば、試料の形状や材料に応じて検出する反射電子の角度範囲を任意に選択して画像を得ることが可能な走査電子顕微鏡を提供することがでる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第一の実施例に係る走査電子顕微鏡の概略図である。
【図２Ａ】制御電極の電圧制御による二次電子と反射電子を弁別する模式図であり、制御電極と試料の電位差が０あるいは制御電極が試料よりも正の電位における二次電子と反射電子の軌道を示す。
【図２Ｂ】制御電極の電圧制御による二次電子と反射電子を弁別する模式図であり、制御電極が試料よりも負の電位における二次電子と反射電子の軌道を示す。
【図２Ｃ】制御電極の電圧制御による二次電子と反射電子を弁別する模式図であり、制御電極が試料よりも充分負に大きい電位における二次電子と反射電子の軌道を示す。
【図２Ｄ】制御電極の電圧制御による二次電子と反射電子を弁別する模式図であり、制御電極と試料の電位差を変化させたときの制御電極を通過する電子数をプロットした図を示す。
【図３Ａ】図１の装置構成において反射電子を検出する概略図であり、エネルギーフィルタに負電圧を印加しないときの反射電子の軌道を示す。
【図３Ｂ】図１の装置構成において反射電子を検出する概略図であり、エネルギーフィルタに負電圧を印加したときの反射電子の軌道を示す。
【図４】第一の実施例に係る走査電子顕微鏡において、エネルギーフィルタにより反射電子の高角成分と低角成分を分けて画像を取得するフローチャートである。
【図５Ａ】取得する信号の変更により変化するプロファイルを示す図であり、トップ部とボトム部で発生する二次電子の軌道を示す。
【図５Ｂ】取得する信号の変更により変化するプロファイルを示す図であり、二次電子信号を検出して得られるラインプロファイルを示す。
【図５Ｃ】取得する信号の変更により変化するプロファイルを示す図であり、トップ部とボトム部で発生する反射電子の軌道を示す。
【図５Ｄ】取得する信号の変更により変化するプロファイルを示す図であり、反射電子信号を検出して得られるラインプロファイルで、実線は検出角度を広く取った場合のラインプロファイル、破線は検出角度を選択して絞った場合のラインプロファイルを示す。
【図６】第一の実施例に係る走査電子顕微鏡において、引き上げ電極の電圧を変えたときの検出可能な反射電子の角度分布を示す図である。
【図７】第一の実施例に係る走査電子顕微鏡において、二次電子変換電極の電圧を変えたときの検出可能な反射電子の角度分布を示す図である。
【図８】図６と同じ条件で一次電子線の入射エネルギーを下げた場合の検出可能な反射電子の角度分布を示す図である。
【図９】第一の実施例に係る走査電子顕微鏡を用いて検出する反射電子の角度を設定するＧＵＩの一例を示す図である。
【図１０】第一の実施例に係る走査電子顕微鏡を用いて検出する反射電子の角度を設定して画像を取得するフローチャートである。
【図１１】第一の実施例に係る走査電子顕微鏡を用いて異なる二つの電圧条件で得られる反射電子の角度分布とこれらの差分で得られる反射電子の角度分布の一例を示す図である。
【図１２】第一の実施例に係る走査電子顕微鏡を用いて異なる二つの電圧条件で得られる二枚の画像の差分画像を作成するフローチャートである。
【図１３】第二の実施例に係る走査電子顕微鏡の概略図である。
【図１４】第三の実施例に係る走査電子顕微鏡を用いて試料構造と観察目的を設定するＧＵＩの一例を示す図である。
【図１５】第三の実施例に係る走査電子顕微鏡を用いて試料構造と観察目的を設定して画像を取得するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について、図を用いて説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は本発明の第一の実施例に係る走査電子顕微鏡の概略図である。本実施例では、半導体ウエハなどの大型試料に対してウエハ上の配線などの測長や検査を行うことを目的とし、一次電子線のエネルギーを数１００ｅＶから数ｋｅＶの低入射エネルギーとした場合の構成を用いている。ただし、同様の構成を用いる電子顕微鏡であれば対象としている試料や目的、入射エネルギーが大きくても適用が可能である。
【００１６】
装置内の電圧や電流の設定は制御テーブル３９に保存された条件を装置全体の制御演算装置３６が読み出し、符号２７から３５の各制御部を用いて行う。オペレータが測定条件を変更するように指示した場合には自動で制御テーブルを読み出し、制御パラメータの変更を行う。なお、符号２７は電子銃制御部、符号２８はコンデンサレンズ制御部、符号２９は走査偏向器制御部、符号３０はエネルギーフィルタ制御部、符号３１は引き上げ電極制御部、符号３２は二次電子変換電極制御部、符号３３は対物レンズ制御部、符号３４は制御電極制御部、符号３５は試料電圧制御部を示す。また、同一符号は同一構成要素を示す。
【００１７】
電界放出陰極１と引出電極２の間に引出電圧を印加すると、放出電子３が放出される。放出電子３は引出電極２と接地電位にある陽極４の間でさらに加速される。陽極４を通過した電子ビームのエネルギーは電子銃（電界放出陰極１と引出電極２とを含む）の加速電圧と一致する。陽極４を通過した一次電子ビームはコンデンサレンズ５、上走査偏向器８、下走査偏向器９で走査偏向を受けた後、対物レンズ１７で試料上に細く絞られる。対物レンズ１７は対物レンズコイル１４と上側磁極１５と下側磁極１６から構成され、対物レンズコイル１４で発生した磁界を上下磁極のギャップから漏洩させて光軸上に集中させ、電子ビームを収束させる。磁界レンズの強度は対物レンズコイル１４の電流量を変化させることで調整する。対物レンズ１７を通過した一次電子ビームは対物レンズ１７と試料１９の間に作られた減速電界で減速され、試料１９に到達する。この構成では、対物レンズ１７を通過するときの一次電子のエネルギーは試料１９に入射するエネルギーよりも高くなっている。この結果、最終的なエネルギーの一次電子ビームを対物レンズ１７に通す場合に比較すると、対物レンズ１７での色収差が減少し、より細い電子ビームが得られて高分解能を達成する。対物レンズ１７の一次電子ビームの開き角はコンデンサレンズ５の下方に置かれた絞り６で決められる。絞り６のセンタリングは調整つまみ７で行う。図では機械的な調節を行っているが、絞り６の前後に静電偏向器または磁界偏向器を設け、電子ビームを偏向させて調整してもよい。対物レンズ１７で細く絞られた電子ビームは上走査偏向器８と下走査偏向器９で試料上を走査されるが、このとき上走査偏向器８と下走査偏向器９の偏向方向と強度は走査した電子ビームが常に対物レンズ１７の中央を通るように調整されている。試料１９は試料ホルダ２０の上に固定されている。
【００１８】
一次電子ビームが試料１９を照射することで二次電子と反射電子２１が発生する。対物レンズ１７と試料１９の間に作られた減速電界は試料１９で発生した二次電子や反射電子２１に対しては加速電界として働くため、対物レンズ１７の通路内に吸引され、対物レンズ１７の磁界でレンズ作用を受けながら昇っていく。加速された二次電子や反射電子２１は電極（変換電極）１０に衝突してさらに二次電子２２を発生させる。発生した二次電子２２は対物レンズ１７と下走査偏向器９の間に置かれた吸引電極２３の横方向電界で吸引され、吸引電極２３のメッシュを通した後、正の電圧、例えば１０ｋＶの高電圧が印加されたシンチレータ２４で加速され、シンチレータ２４を光らせる。発光した光はライトガイド２５で光電子増倍管２６に導かれ電気信号に変換される。光電子増倍管２６の出力はさらに増幅され、輝度変調入力信号となり画像として構成され、モニタ３８に表示されて記録装置３７に保存される。本実施例に係る走査電子顕微鏡の特徴は試料１９と対物レンズ１７の間に設置した制御電極１８と、対物レンズ１７と下走査偏向器９の間に設置した二次電子変換電極１３と引き上げ電極１２、エネルギーフィルタ１１である。これらの機能について図２Ａ〜図２Ｄと図３Ａ、図３Ｂを用いて説明する。
【００１９】
図２Ａ〜図２Ｄは制御電極１８による二次電子と反射電子を弁別する機能を説明する模式図である。一次電子ビームが試料１９を照射すると二次電子４０や反射電子４１が発生する。制御電極１８と試料１９の電位差が０あるいは制御電極１８が試料１９よりも正の電位の場合には、図２Ａに示すように二次電子４０と反射電子４１はともに制御電極１８の中心の穴を通過する。一方、制御電極１８が試料１９よりもわずかに負の電位の場合には、図２Ｂに示すように高エネルギーの反射電子４１は制御電極１８の中心の穴を通過するが低エネルギーの二次電子４０の一部４２は試料直上に形成された電位障壁によって試料に引き戻される。制御電極１８が試料１９よりも充分負の電位の場合には、図２Ｃに示すように、高エネルギーの反射電子４１は制御電極１８の中心の穴を通過するが低エネルギーの二次電子４２は全て試料１９に引き戻される。制御電極１８と試料１９の電位差を変化させたときに制御電極１８を通過する電子数をプロットした例を図２Ｄに示す。制御電極１８と試料１９の電位差を負に大きくするにしたがって急激に電子数が減少している。この減少した成分は試料直上に形成された電位障壁によって試料１９に引き戻された低エネルギーの二次電子成分に相当し、残りのオフセット成分は高エネルギーの反射電子成分となる。したがって、制御電極１８と試料１９の電位差を変化させて電子数をプロットして図２Ｄのグラフを作成し、このグラフをもとに電位差を設定することで二次電子と反射電子を両方取得するか、二次電子の一部と反射電子を取得するか、あるいは反射電子のみを取得するか選択することが可能となる。ここで、図２Ｄに示す電位差と電子数の関係は制御電極１８の形状に依存する。例えば、制御電極の中心の穴径を拡大すると二次電子を試料に引き戻すための光軸上の電位障壁を作成するのに必要な電位差が大きくなるため、グラフはマイナス側にシフトする。したがって、制御電極１８の形状を変更した場合には図２Ｄのグラフを取得し、二次電子と反射電子の弁別に必要な電圧条件を確認することが必要である。
【００２０】
制御電極を用いて試料から出射した二次電子を引き戻し、反射電子のみを検出することで画像のＳ／Ｎが向上する試料としてハードディスクの磁気ヘッドがあげられる。磁気ヘッド試料は表面が平坦化されたパターンの上に数ナノメートル程度のＤＬＣ（Ｄｉａｍｏｎｄ−Ｌｉｋｅ  Ｃａｒｂｏｎ）の薄膜が塗布された構造を持つ。二次電子像で観察すると、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）による表面の平坦化の際に形成された凹凸の傷がエッジ効果により強調されてしまい、パターン部のコントラストが低下する。さらに、電子線の照射により表面が帯電することで二次電子の軌道が曲げられ、像が歪んで観察される。一方、反射電子を検出して画像を作成すると、反射電子は二次電子に較べて高エネルギーであるため、試料の帯電には影響を受けないために画像の歪はなく、また、二次電子像で見られるエッジ効果も小さいためパターンのコントラストが観察しやすくなる。本構成では制御電極は試料直上に設置されているために二次電子と反射電子の分離を厳密に行うことができるため、反射電子像への二次電子の寄与を取り除くことができる。二次電子が少しでも含まれると上記の作用による画質の低下が生じる。したがって、制御電極を備えた本構成の走査電子顕微鏡はハードディスクの磁気ヘッドを観察するのに好適な装置である。
【００２１】
図３Ａ、図３Ｂを用いて反射電子の検出方法について説明する。反射電子は高いエネルギーを持つために電極による軌道の偏向作用を大きく受けないため、多くは検出器（本実施例では電極（変換電極）１０）に到達する前に装置内の電極や内壁に衝突する。試料１９から小さな仰角で出射した反射電子４３（低角成分）は電極（変換電極）１０に衝突して二次電子４４を発生する。発生した二次電子４４は吸引電極２３の横方向電界で吸引されて検出される。一方、大きな仰角で出射した反射電子４５（高角成分）は二次電子変換電極１３に衝突して二次電子４６を発生する。発生した二次電子４６は二次電子変換電極１３と引き上げ電極１２の電位差によって引き上げられて加速されて電極（変換電極）１０に衝突し、さらに二次電子４７を発生する。発生した二次電子４７は吸引電極２３の横方向電界で吸引されて検出される。したがって、二次電子変換電極１３に衝突する高角の反射電子４５を検出するためには、二次電子変換電極１３を負に設定して二次電子を電極から離れさせ、なおかつ引き上げ電極１２の電圧を二次電子変換電極１３よりも正側にして引き上げることが必要である。
【００２２】
図３Ａの構成では小さな仰角で放出された反射電子（低角成分）と大きな仰角で放出された反射電子（高角成分）が同時に検出される。本実施例では同時に検出される低角成分と高角成分を分けるためにエネルギーフィルタを用いる。低角成分は入射電子ビームと同等、あるいはある程度高いエネルギーを有する。一方、高角成分は反射電子ではなく二次電子変換電極１３で発生した二次電子を検出する。この二次電子は二次電子変換電極１３と接地電位の電位差に相当するエネルギーを持ち、これは試料１９で発生した反射電子のエネルギーよりも小さい。これらの電子を分離するために電子の進行軸上にエネルギーフィルタ１１を設ける。エネルギーフィルタ１１はメッシュを設けて負の電圧を印加することで、形成される電位より高いエネルギーの電子を透過させ、低いエネルギーの電子は透過させないことでエネルギーの異なる電子を分離する効果を持つ。なお、エネルギーフィルタ１１は前記のメッシュを持つ構造に限らず、エネルギーの異なる電子を分離できる構造を持てば適用しても良い。本実施例ではエネルギーフィルタ１１の電圧を二次電子変換電極１３の電圧より低く設定することで、二次電子変換電極１３で発生した二次電子４５はエネルギーフィルタ１１を透過することができずに検出されなくなる（図３Ｂ）。したがって、エネルギーフィルタ１１を用いることで反射電子の高角成分と低角成分を分離できる。さらに、エネルギーフィルタを二次電子変換電極１３で発生する二次電子４６と反射電子４３の進行軸上に設置しているため、電圧印加による透過する電子の軌道は変化せず検出率の低下は起こらない。
【００２３】
エネルギーフィルタ１１を用いて反射電子の高角成分と低角成分を分離するフローチャートを図４に示す。まず、取得する画像が高角成分か低角成分か判定する（Ｓ４０１）。低角成分の画像を取得する場合には、エネルギーフィルタ１１に電圧を印加して高角成分の寄与を取り除き（Ｓ４０２）、画像を取得する（Ｓ４０３）。一方、高角成分の画像を取得する場合には、エネルギーフィルタ１１の電圧を印加しない状態で画像を取得し（Ｓ４０４、Ｓ４０５）、次にエネルギーフィルタ１１に電圧を印加して画像を取得する（Ｓ４０６、Ｓ４０７）。最後にＳ４０５とＳ４０７で得られた二枚の画像の差分画像を作成することで高角成分の画像を取得する（Ｓ４０８）。これら二枚の画像取得に要する時間は短いため試料から出射される反射電子の変動は無視することができる。本実施例ではエネルギーフィルタ１１の電圧を印加と非印加の二つの条件で用いたが、印加電圧の異なる二枚の画像を取得してその差分画像を作成してもよい。
【００２４】
次に、低角成分と高角成分の反射電子の出射角度分布について説明する。図６に二次電子変換電極１３を負の一定の電圧に固定した状態で引き上げ電極１２の電圧を正に変化させたときの検出される反射電子の角度成分を示す。左斜線部が低角成分、右斜線部が高角成分の検出角度となる。低角成分に関しては引き上げ電極１２の電圧を正に大きくする、すなわち二次電子変換電極１３と引き上げ電極１２の電位差を大きくするにしたがって検出角度の範囲は広くなる。これは、二次電子変換電極１３と引き上げ電極１２が静電レンズとして作用して反射電子の軌道を収束させる作用を持つことに起因する。一方、高角成分は引き上げ電極１２の電圧に依存せずに一定の角度範囲の反射電子のみを検出する。これは、二次電子変換電極１３に衝突する反射電子の角度分布は引き上げ電極１２の電圧に依存しないためである。
【００２５】
図７は引き上げ電極１２を正の一定の電圧で固定した状態で二次電子変換電極１３の電圧を負に大きくしたときの検出角度の分布である。図６とは異なり、低角成分とともに高角成分についても電圧を変化させることで検出される角度範囲が変化する。低角成分は負に大きくするにしたがって大きな角度まで検出できるようになり、一方、高角成分は角度範囲が一定のまま小さな角度の反射電子を検出できるようになる。したがって、引き上げ電極１２の電圧を変化させることで低角成分の角度分布を、二次電子変換電極１３の電圧を変化することで低角成分と高角成分の角度分布を変化させることが可能となる。検出される反射電子の角度分布は引き上げ電極１２と二次電子変換電極１３の電圧のみに依存するのではなく、これらの電極の形状や位置に依存する。また、この角度分布は一次電子線の試料１９への入射エネルギーにも依存する。入射エネルギーを半分にして引き上げ電極１２の電圧を変化させたときの検出される反射電子の角度分布を図８に示す。低角成分は引き上げ電極１２に同じ正の電圧を印加しても入射エネルギーが高い場合に較べて広い角度まで検出することが可能となる。一方、高角成分は入射エネルギーが高い場合と検出できる角度の幅は同じであるが、高角度側にシフトする。
【００２６】
装置を立ち上げるときには図６から図８に示すような検出角度のマップを各電極の電圧条件ごとに作成して検出できる角度範囲と電圧の関係を制御テーブル３９に保存しておく。入射エネルギーや各電極の電圧を変化させたときの検出角度のマップは電磁界計算と電子の軌道計算を用いたシミュレーション結果をもとに作成しても良いし、実験結果をもとに作成しても良い。オペレータが反射電子の検出角度の指定を行うＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ  Ｕｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）の一例を図９に、このＧＵＩを用いて検出角度を選択したときに画像取得するフローチャートを図１０に示す。ＧＵＩはモニタ３８に表示され、オペレータがモニタ上で走査を行う。角度範囲の指定は領域を直接指定することも可能だし、あらかじめ指定された角度範囲の組み合わせからオペレータが最適な角度範囲を選択することも可能である。まず、オペレータが図９のＧＵＩ上で所望の検出角度の範囲を選択する（Ｓ１００１）。次に、装置が自動でこの検出角度範囲を満たす各電極の電圧を制御テーブル３９から読み出し、装置側であらかじめ決められた電圧値を自動で選択し、二次電子変換電極１３と引き上げ電極１２、エネルギーフィルタ１１に設定する（Ｓ１００２）。各電極の電圧を変更すると一次電子線の光学条件や反射電子の検出率が変化する。画像の観察が目的であれば各電極の電圧を変更後にそのまま画像を取得すれば良いが、半導体素子向けのパターン測長用の走査電子顕微鏡の場合には光学条件の変化が測定精度に影響を与えてしまう。特に問題となるのは、一次電子線の偏向量が異なるために倍率が変化してしまい、パターンの本来の測長値とは異なる値が算出されることである。したがって、各電極の電圧を変更した後に偏向量などの撮像条件の制御パラメータを制御テーブル３９から読み出して装置が自動的に設定する（Ｓ１００３）。その後、画像取得を行い記録装置３７に画像を保存する（Ｓ１００４）。最後に、得られた画像をモニタ３８に表示する（Ｓ１００５）。
【００２７】
任意の角度成分の反射電子像を取得するには、図６から図８に示したように引き上げ電極や二次電子変換電極の電圧、入射エネルギーを変更する手法が適用できる。高角成分に関してはこの手法を用いることで任意の角度成分の反射電子像を取得することができるが、低角成分に関しては装置の構造上、０°から特定の角度までの範囲の反射電子を検出することになる。低角成分が検出可能な角度のうち、特定の角度範囲のみを取得するには複数の異なる電圧条件で画像を取得し、その差分画像を得ることで可能となる。図１１に二つの電圧条件における検出角度範囲とこれらの差分、図１２に差分画像を得るフローチャートを示す。図１１の電圧条件１と電圧条件２は二次電子変換電極に負の電圧を印加した状態で引き上げ電極に正に電圧を印加したときの検出角度である。図６と同様に左斜線部が低角成分、右斜線部が高角成分の検出角度である。電圧条件１に較べて電圧条件２は引き上げ電極１２に高い電圧を印加しているため広い角度範囲の画像が得られる。高角成分は電圧条件１と電圧条件２で同じ角度分布を持つ。一方、低角成分は検出角度の分布が異なる。電圧条件１では０°からα°までの角度範囲の反射電子を検出でき、電圧条件２では０°からβ°までの角度範囲の反射電子を検出できる。ここで、α°からβ°の角度範囲の反射電子を検出したい場合には電圧条件２の画像から電圧条件１の画像を引いて差分画像を作成することで得られる。オペレータが選択した検出角度の範囲が差分画像を取得することが必要な場合は、まずオペレータが検出角度範囲を設定し（Ｓ１２０１）、電圧条件１の電極の電圧と制御パラメータを装置が自動で設定し（Ｓ１２０２、Ｓ１２０３）、画像を取得して記録装置３７に保存する（Ｓ１２０４）。次に、電圧条件２の電極の電圧と制御パラメータに変更し（Ｓ１２０５、Ｓ１２０６）、画像を取得して記録装置３７に保存する（Ｓ１２０７）。その後、装置全体の制御演算装置３６が記録装置３７から電圧条件１と電圧条件２で得られた画像を読み出して二枚の画像の差分画像を作成し（Ｓ１２０８）、モニタ３８に表示する（Ｓ１２０９）。ここでは低角成分と高角成分の両方を含む画像を用いて差分を算出しているが、この方法では両方の画像に含まれる高角成分がオフセットとして含まれているため、差分画像を作成する際に画像の精度を下げる要因となってしまう。この問題を避けるために、エネルギーフィルタに負の電圧を印加して高角成分を除くことで低角成分のみの画像を取得し、差分画像を作成することが好ましい。
【００２８】
図１に示す走査電子顕微鏡を用いて図５Ｃに示す断面構造の穴を有する試料を反射電子の仰角を変えて観察した結果、良好な画像を得ることができた。
以上、本実施例によれば、試料の形状や材料に応じて任意の放出角度の反射電子を検出することのできる走査電子顕微鏡を提供することができる。
【実施例２】
【００２９】
第２の実施例について図１３を用いて説明する。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り、本実施例にも適用できる。
【００３０】
図１３は図１と全体の構成は同じであるが専用の二次電子変換電極１３がない構造である。この構造では対物レンズ１７の上側磁極１５が二次電子変換電極１３を兼ねている。なお、上側磁極１５のみに電圧を印加するため、空間を空けるか絶縁体を間に挟むことで下側磁極１６と絶縁する。図では反射電子の高角成分と低角成分の軌道を示している。低角成分４３は図３と同様に電極（変換電極）１０に衝突して二次電子４４を発生する。発生した二次電子４４は吸引電極２３の横方向電界で吸引されて検出される。一方、高角成分４５は二次電子変換電極の代わりに対物レンズ１７の上側磁極１５に衝突して二次電子４８を発生させる。発生した二次電子４８は対物レンズ１７の上側磁極１５と引き上げ電極１２の電位差によって引き上げられて加速されて電極（変換電極）１０に衝突し、さらに二次電子４９を発生する。発生した二次電子４９は吸引電極２３の横方向電界で吸引されて検出される。対物レンズ１７の上側磁極１５に衝突する高角の反射電子４５を検出するためには、上側磁極１５の電圧を負にして二次電子を磁極から離れさせ、なおかつ引き上げ電極１２の電位を上側磁極１５の電位よりも正側にして引き上げることが必要である。したがって、専用の二次電子変換電極を設けなくても対物レンズ１７の上側磁極１５が二次電子変換電極の役割を果たし、上側磁極１５に負の電圧を印加すれば実施例１と同じ効果が期待できる。本構成では図１に較べて光軸上の電極枚数を一枚減らすことができ、電極の中心の位置ずれによる分解能の低下や反射電子の検出率の低下の影響を抑えることができる。また、専用の二次電子変換電極を設置しないことで装置内に空間の余裕ができ、引き上げ電極の形状や設置位置の変更が容易になる。
【００３１】
図１３に示す走査電子顕微鏡を用いて図５Ｃに示す段差構造の穴を有する試料を反射電子の仰角を変えて観察した結果、良好な画像を得ることができた。
以上、本実施例によれば、試料の形状や材料に応じて任意の放出角度の反射電子を検出することのできる走査電子顕微鏡を提供することができる。また、対物レンズの上側磁極を二次電子変換電極として用いることにより、装置内に空間の余裕ができ、引き上げ電極の形状や設置位置の変更が容易になる。
【実施例３】
【００３２】
実施例１では検出する反射電子の角度範囲を直接指定したが、試料構造と観察目的を選択して画像を得ることも可能である。オペレータは所望の画像に対してどのような角度範囲の画像を取得すれば観察に適した画像が得られるか必ずしも分かるとは限らないため、試料の構造と観察目的を指定するだけで適した画像を得る観察モードがあることが好ましい。このモードでは、試料構造を観察するのに適した角度範囲が装置側で制御テーブル３９に保存されており、このテーブルを用いて試料構造と観察目的に適した電極の電圧や撮像条件の制御パラメータが自動で導き出される。図１４はＧＵＩの一例であり、このＧＵＩを用いて試料構造と観察目的を選択したときのフローチャートを図１５に示す。まず、オペレータが図１４のＧＵＩを用いて試料構造と観察目的を設定する（Ｓ１５０１）。次に、装置側で制御テーブル３９をもとに観察に適した検出角度範囲を自動的に選択して設定され（Ｓ１５０２）、目的となる検出角度範囲を満たす電極の電圧と制御パラメータが設定される（Ｓ１５０３、Ｓ１５０４）。その後、画像取得を行い記録装置３７に画像を保存する（Ｓ１５０５）。最後に、得られた画像をモニタ３８に表示する（Ｓ１５０６）。なお、取得された画像の保存と表示の順番は入れ替えることができる。図１４ではホールとコントラストが選択されており、これを選択すると高角成分のみが検出され、ホールのトップ部とボトム部のコントラストが最も顕著に観察される画像が取得される。ホールとコントラストの組み合わせだけではなく、ボトム部の構造を観察するのに適したモードや、ナノインプリントやハードディスクの磁気ヘッドなどの異なる構造を持つ試料を観察するのに適したモードも選択することができる。
【００３３】
図１３に示す走査電子顕微鏡を用いて図５Ｃに示す段差構造の穴を有する試料を反射電子の仰角を変えて観察した結果、良好な画像を得ることができた。
以上、本実施例によれば、試料の形状や材料に応じて任意の放出角度の反射電子を検出することのできる走査電子顕微鏡を提供することができる。また、試料構造を観察するのに適した角度範囲が保存された制御テーブルを用いることにより、試料構造を観察するのに適した角度範囲での観察、画像取得を容易に行うことができる。
【００３４】
以上、本願発明を詳細に説明したが、以下に主な発明の形態を列挙する。  
（１）一次電子線を試料に照射することにより試料から出射される電子を検出器で検出することによって像を得る電子顕微鏡であって、
電子源と、
前記電子源から放出された前記一次電子線を前記試料上に収束する対物レンズと、
前記対物レンズと前記試料の間となるように配置される制御電極と、
前記対物レンズと前記検出器との間に配置され、前記反射電子の衝突によって二次電子を発生させる二次電子変換電極と、
前記二次電子を上方に引き上げる引き上げ電極と、
エネルギーフィルタと、
前記二次電子変換電極と前記引き上げ電極と前記エネルギーフィルタへの印加電圧の組み合わせを選択する制御演算手段と、を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
（２）電子源と、
前記電子源から放出された一次電子線を試料上に収束する対物レンズと、
前記対物レンズと前記試料の間となるように配置され、前記一次電子線の照射により前記試料から出射された二次電子と反射電子とを弁別するための制御電極と、
前記対物レンズの一部を構成し、前記反射電子の衝突によって二次電子を発生させる上側磁極兼二次電子変換電極と、
前記上側磁極兼二次電子変換電極から発生した二次電子を上方に引き上げる引き上げ電極と、
前記引き上げ電極の上方に配置され、前記上側磁極兼二次電子変換電極から発生した二次電子と前記試料から出射された反射電子とを弁別するためのエネルギーフィルタと、
前記上側磁極兼二次電子変換電極、前記引き上げ電極、前記エネルギーフィルタへの印加電圧を制御する制御演算手段と、を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【００３５】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１…電界放出陰極、２…引出電極、３…放出電子、４…陽極、５…コンデンサレンズ、６…絞り、７…調整つまみ、８…上走査偏向器、９…下走査偏向器、１０…電極（変換電極）、１１…エネルギーフィルタ、１２…引き上げ電極、１３…二次電子変換電極、１４…対物レンズコイル、１５…上側磁極、１６…下側磁極、１７…対物レンズ、１８…制御電極、１９…試料、２０…試料ホルダ、２１…二次電子と反射電子、２２…二次電子、２３…吸引電極、２４…シンチレータ、２５…ライトガイド、２６…光電子増倍管、２７…電子銃制御部、２８…コンデンサレンズ制御部、２９…走査偏向器制御部、３０…エネルギーフィルタ制御部、３１…引き上げ電極制御部、３２…二次電子変換電極制御部、３３…対物レンズ制御部、３４…制御電極制御部、３５…試料電圧制御部、３６…装置全体の制御演算装置、３７…記録装置、３８…モニタ、３９…制御テーブル、４０…二次電子、４１…反射電子、４２…試料に引き戻される二次電子、４３…低角の反射電子、４４…低角の反射電子が電極（変換電極）１０に衝突して発生する二次電子、４５…高角の反射電子、４６…高角の反射電子が二次電子変換電極１３に衝突して発生する二次電子、４７…二次電子４６が電極（変換電極）１０に衝突して発生する二次電子、４８…高角の反射電子が対物レンズの上側磁極に衝突して発生する二次電子、４９…二次電子４８が電極（変換電極）１０に衝突して発生する二次電子。
【図１】
0005814741.tif 000002
【図２Ａ】
0005814741.tif 000003
【図２Ｂ】
0005814741.tif 000004
【図２Ｃ】
0005814741.tif 000005
【図２Ｄ】
0005814741.tif 000006
【図３Ａ】
0005814741.tif 000007
【図３Ｂ】
0005814741.tif 000008
【図４】
0005814741.tif 000009
【図５Ａ】
0005814741.tif 000010
【図５Ｂ】
0005814741.tif 000011
【図５Ｃ】
0005814741.tif 000012
【図５Ｄ】
0005814741.tif 000013
【図６】
0005814741.tif 000014
【図７】
0005814741.tif 000015
【図８】
0005814741.tif 000016
【図９】
0005814741.tif 000017
【図１０】
0005814741.tif 000018
【図１１】
0005814741.tif 000019
【図１２】
0005814741.tif 000020
【図１３】
0005814741.tif 000021
【図１４】
0005814741.tif 000022
【図１５】
0005814741.tif 000023