(57)【要約】【課題】カソードの印加電圧を変えた場合でも、クロスオーバ結像条件がほとんど変わらない電子銃を提供する。【解決手段】電子銃には、カソード１、ウェネルト電極１４と、２つのアノード１５、１６が設けられている。第２アノード１６の電極は０Ｖ（接地電位）に保たれている。カソード１の電位を−Ｖ０とし、第１アノード１５の電位をＶａとするとき、Ｖａ＋Ｖ０、すなわちカソード１と第１アノード１５の相対電位差は常に一定に保たれるように、Ｖａの大きさがカソード電位Ｖ０に追随して制御される。これにより、カソード１の電位が変化しても、その位置や大きさの変化を小さく抑えることができる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード、当該カソードからの電子ビームの発生量をコントロールするための電極、及びアノードを備え、前記カソードに印加する電圧を変えても、前記カソード及び前記アノードとの間の相対電位差を一定に保つ機能を有することを特徴とする電子銃。
【請求項２】
カソード、当該カソードからの電子ビームの発生量をコントロールするための電極、及び２つ以上のアノードを備え、前記カソードに印加する電圧を変えても、前記カソードと、前記アノードのうち、前記、カソードからの電子ビームの発生量をコントロールするための電極に最も近いアノードとの間の相対電位差を一定に保つ機能を有することを特徴とする電子銃。
【請求項３】
前記カソードが熱電子放出型のカソードであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電子銃。
【請求項４】
請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の電子銃を有することを特徴とする電子線装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームを試料面に照射して、観察、検査、半導体デバイス製造等を行う電子線装置に使用される電子銃、及びこの電子銃を使用した電子線装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
試料に電子線を照射したときに得られる信号（２次電子量など）を用いて観察、検査などを行う装置では、しばしば、試料の材質、帯電状況などにより、試料に当てる電子線のエネルギー（ランディングエネルギー）を変える必要が生じる。ここで、ランディングエネルギーは、電子銃のカソードに印加される電圧と、試料に印加される電圧の差で決まる。
【０００３】
一方、２次電子を観察もしくは検査するために用いられる結像電子光学系は、分解能を上げるため精密に設計されている。従って容易に試料に印加する電圧を変えることはできない。そこで、ランディングエネルギーを最適条件に変更するためには、電子銃のカソードに印加する電圧を変えることになる。
【０００４】
熱電子銃は、一般に図３に示すような構造になっており、接地されたアノードに対して、カソードには−Ｖ０（Ｖ０＞０）の電圧が、ウェネルト電極には−Ｖ０−Ｖ１（Ｖ１＞０）の電圧が印加されている。カソードから放出された電子が細く絞られるところをクロスオーバと呼び、電子線装置では、このクロスオーバを光源として用いる場合が多い。クロスオーバの結像位置や大きさは、カソード、ウェネルト電極、アノードの形状及び位置関係、各電極の印加電圧により変わる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って、カソードに印加する電圧を変えることによりランディングエネルギーを変えようとすると、光源（クロスオーバ）の大きさや位置などが大きく変化することになり、これを補償しようとすると、電子銃から発生した電子線を試料に導く照明電子光学系が複雑になる。
【０００６】
例えば、ランディングエネルギーを上げる為には、カソードに印加する電圧をより高く（負に大きく）する必要がある。カソードに印加する電圧を上げると、一般にクロスオーバのできる位置はカソードに近い側に移動する。このクロスオーバを加速電圧にかかわらず同じ位置（例えば絞り位置）に結像させるような電子光学系を考えると、レンズひとつでは、高加速電圧の場合ほど倍率が小さくなってしまう。
【０００７】
これは図４のような電子レンズの配置の場合、倍率はｂ／ａとなることから容易に推測できる。この関係を用いると、高加速電圧になるほど、クロスオーバのできる位置はカソードに近い位置に移動するので、ａが大きくなる一方、ｂは一定であるので、倍率が小さくなる。一方、最初にできるクロスオーバの大きさは、試料面に照射する電流量を一定にするために電子銃輝度を一定条件にすると仮定した場合、高加速電圧にするほど小さくなる。
【０００８】
従って高加速電圧になるほど、クロスオーバの大きさは小さく、また単純なレンズでは倍率が小さくなってしまい、クロスオーバ像の加速電圧による変化はより大きくなってしまう。従って、加速電圧を変えてもクロスオーバ像を一定に保つ為には、レンズを増やす必要があり、複雑な照明電子光学系が必要となる。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、試料に入射するエネルギーを変えるため等の理由によりカソードの印加電圧を変えた場合でも、クロスオーバ結像条件がほとんど変わらない電子銃、及びこの電子銃を使用した電子線装置を提供することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、カソード、当該カソードからの電子ビームの発生量をコントロールするための電極、及びアノードを備え、前記カソードに印加する電圧を変えても、前記カソード及び前記アノードとの間の相対電位差を一定に保つ機能を有することを特徴とする電子銃（請求項１）である。
【００１１】
前述のように、電子銃におけるクロスオーバの位置と大きさは、カソードとアノード間の相対電位差によって決定される。本手段においては、カソードに印加する電圧を変えても、カソード及びアノードとの間の相対電位差を一定に保つ機能を有するので、カソード及びアノードとの間の相対電位差が一定に保たれ、従って、クロスオーバの位置や大きさの変化を小さくすることができる。
【００１２】
前記課題を解決するための第２の手段は、カソード、当該カソードからの電子ビームの発生量をコントロールするための電極、及び２つ以上のアノードを備え、前記カソードに印加する電圧を変えても、前記カソードと、前記アノードのうち、前記、カソードからの電子ビームの発生量をコントロールするための電極に最も近いアノードとの間の相対電位差を一定に保つ機能を有することを特徴とする電子銃（請求項２）である。
【００１３】
前記第１の手段において、カソードの電位が変化した場合に、前記カソード及び前記アノードとの間の相対電位差を一定に保つためにアノードの電位を変化させると、アノードの前方に設置させる照明電子光学系の電場に影響を与えることになる。照明電子光学系への影響が無視できないような光学系の場合には、本手段のように、アノードを２つ以上設けるようにすることが好ましい。そして、クロスオーバの位置と大きさは、前記カソードと、前記アノードのうち、カソードからの電子ビームの発生量をコントロールするための電極に最も近いアノードとの間の相対電位差を一定に保つことにより、カソードの電位が変化してもその位置と大きさの変化を小さく抑えている。
【００１４】
一方、少なくともカソードから一番遠い位置にあるアノードの電位は、カソードの電位の変化にかかわらず一定に保ち、電子銃中の電極電位の変化が、電子銃の外部の電場に影響を与えないようにしている。
【００１５】
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、前記カソードが熱電子放出型のカソードであることを特徴とするもの（請求項３）である。
【００１６】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかである電子銃を有することを特徴とする電子線装置（請求項３）である。
【００１７】
本手段においては、ランディングエネルギーを変化させる等の理由により電子銃のカソードの電位を変化させても、光源であるクロスオーバの位置や大きさの変化を小さくすることができるので、投影光学系等の光学系があまり複雑にならなくて済む。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の一例である電子銃の電極構成と電位を示したものである。この電子銃には、熱電子放出型のカソード１、ウェネルト電極１４と、２つのアノード１５、１６が設けられている。第２アノード１６の電極は０Ｖ（接地電位）に保たれている。
【００１９】
カソード１の電位を−Ｖ０とするとき、ウェネルト電極１４の電位は−Ｖ０−Ｖ１とされ、Ｖ１を変化させることにより電流量を変化させることができる。一方、第１アノード１５の電位をＶａとするとき、Ｖａ＋Ｖ０、すなわちカソード１と第１アノード１５の相対電位差は常に一定に保たれるように、Ｖａの大きさがカソード電位Ｖ０に追随して制御される。
【００２０】
クロスオーバは、通常ウェネルト電極１４と第１アノード１５の間に形成されるが、カソード１と第１アノード１５の相対電位差は常に一定に保たれるようにされているので、カソード１の電位が変化しても、その位置や大きさの変化を小さく抑えることができる。
【００２１】
このような電子銃を組み込んだ電子線装置の例を図２に示す。これは、２次元試料観察装置（電子線検査装置）である。カソード１から射出した照射ビーム４は、ウェネルト電極１４、第１アノード１５、第２アノード１６、照明電子光学系２を通過して、電磁プリズム３に入射する。照射ビーム４は、電磁プリズム３によって、その光路が変更された後、カソードレンズ７を通過して、試料６を面照明する。
【００２２】
試料６に照射ビーム４が入射すると試料６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８と総称する）が発生する。この発生電子８は、カソードレンズ７、電磁プリズム３、結像電子光学系９を通して、ＭＣＰ（Ｍｉｃｒｏ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｐｌａｔｅ）検出器１０上に投影され、光写像光学系１２を通過して、ＣＣＤカメラ１３に画像が投影される。
【００２３】
ここで、カソードレンズ７、電磁プリズム３、結像電子光学系９は、発生電子８による像が解像度良く結像されるよう精密に設計されている。ランディングエネルギーを変える場合、ステージ５に印加する電圧、すなわち試料６の電位を変えるのではなく、カソード１に印加する電圧−Ｖ０を変え、−Ｖ０に連動して第１アノード１５に印加する電圧ＶａをＶ０＋Ｖａが一定となるように調整する。このようにすれば、ランディングエネルギーを変える為にカソード１に印加する電圧を変えても、クロスオーバのできる位置や大きさの変化は小さく、ランディングエネルギーを変えたときに、照明電子光学系２で倍率を変える必要がなくなり、照明電子光学系２を簡単な電子光学系にすることが可能となる。
【００２４】
なお、本発明は、電界放出型の電子銃に対しても適用できる。すなわち、本発明の実施の形態である電界放出型の電子銃は、カソードと引き出し電極、２つのアノードを備え、第２アノードの電位は０Ｖに保たれている。
【００２５】
カソードの電位を−Ｖ０（Ｖ０＞０）とするとき、引き出し電極の電位は（−Ｖ０＋Ｖ１）とされ（Ｖ１＞０）、Ｖ１を変化させることにより電流量を変化させることができる。
【００２６】
一方、第１アノードの電位をＶａとするとき、（Ｖａ＋Ｖ０）、すなわち、カソードと第１アノードの相対電位差を一定に保つように、Ｖａの大きさをカソードの電位Ｖ０に追随して制御するようにする。
【００２７】
【実施例】
（実施例）
実施例として、図１に示すような熱電子放出型の電子銃について、試料面に照射する電流量を一定にするために、電子銃の輝度を一定に保ちつつ、カソード電圧を変えた場合のクロスオーバの直径とクロスオーバ位置の変化をシミュレーションにより求めた。各電極及びウェハの電位とランディングエネルギー、及びその際のクロスオーバ直径とクロスオーバ位置（カソード電位が−７ｋＶの位置を基準としたもの）を表１に示す。クロスオーバ直径変化は６μｍ、クロスオーバ位置の変化は０．９ｍｍに収まっている。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
（比較例）
比較例として、図３に示すような電子銃で、実施例と試料照射面に照射する電流量を同じにするような電子銃について、カソード電圧を変えた場合のクロスオーバの直径とクロスオーバ位置の変化をシミュレーションにより求めた。各電極及びウェハの電位とランディングエネルギー、及びその際のクロスオーバ直径とクロスオーバ位置（カソード電位が−７ｋＶの位置を基準としたもの）を表２に示す。実施例と同じカソード電圧（ランディングエネルギー）の変化に対して、クロスオーバ直径変化は３３μｍ、クロスオーバ位置の変化は５．３ｍｍと大幅に増加しており、本発明の効果が実証できた。
【００３０】
【表２】
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【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、試料に入射するエネルギーを変えるため等の理由によりカソードの印加電圧を変えた場合でも、クロスオーバ結像条件がほとんど変わらない電子銃、及びこの電子銃を使用した電子線装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例である電子銃の電極構成と電位を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の一例である電子線検査装置を示す概略構成図である。
【図３】従来の電子銃の電極構成と電位を示す図である。
【図４】レンズの結像関係を示す図である。
【符号の説明】
１…カソード、２…照明電子光学系、３…電磁プリズム、４…照射ビーム、５…ステージ、６…試料、７…カソードレンズ、８…発生電子、９…結像電子光学系、１０…ＭＣＰ検出器、１２…光写像光学系、１３…ＣＣＤカメラ、１４…ウェネルト電極、１５…第１アノード、１６…第２アノード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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