(57)【要約】【課題】試料に対して照射する電子ビームの強度や加速電圧を低く抑え、かつ高いＳ／Ｎの電子顕微鏡画像を得ることを可能とする電子顕微鏡制御装置を提供する。【解決手段】電子線照射行列設定部６５は、プロジェクタ８から出射すべき電子ビームの２次元パターンの時系列を示す電子線照射行列を設定する。この電子線照射行列は、２次元パターンに含まれるピクセルのうち、電子ビームが照射されるピクセルを複数含むように設定されるとともに、２次元パターンに含まれるピクセル数と等しい数の２次元パターンを、互いに独立した２次元パターンの時系列となるように設定される。行列演算部６６は、上記電子線照射行列と、上記２次電子検出器において検出された時系列の検出信号を表したベクトルとに基づいて行列演算を行うことによって、試料の電子顕微鏡画像を示すベクトルを算出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームによる２次元パターンを観察対象としての試料に照射する電子ビーム照射部と、電子ビームの照射によって試料から放出される２次電子を検出する２次電子検出器とを備えた電子線照射装置によって試料の電子顕微鏡画像を生成する電子顕微鏡制御装置であって、
上記電子ビーム照射部から出射すべき電子ビームの２次元パターンを時系列で設定するパターン設定手段と、
上記パターン設定手段によって設定された時系列の２次元パターンと、上記２次電子検出器において検出された時系列の検出信号とに基づいて、試料の電子顕微鏡画像を生成する画像生成手段とを備え、
上記パターン設定手段が、２次元パターンに含まれるピクセルのうち、電子ビームが照射されるピクセルを含むように、時系列の２次元パターンのそれぞれを設定し、観察領域に含まれる全てのピクセル数と等しい数の２次元パターンを、互いに独立した２次元パターンとなるように時系列で設定することを特徴とする電子顕微鏡制御装置。
【請求項２】
上記パターン設定手段が、時系列で設定された２次元パターンのうち、少なくとも１つの２次元パターンにおいて、該２次元パターンに含まれるピクセルのうち、電子ビームが照射されるピクセルを複数含むように設定することを特徴とする電子顕微鏡制御装置。
【請求項３】
上記パターン設定手段が、各２次元パターンを表したベクトルを行とし、これを時系列に沿って列方向にならべた行列であって、正則行列である行列を電子線照射行列として設定し、
上記画像生成手段が、上記電子線照射行列と、上記２次電子検出器において検出された時系列の検出信号を表したベクトルとに基づいて行列演算を行うことによって、試料の電子顕微鏡画像を示すベクトルを算出する行列演算部を備えていることを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡制御装置。
【請求項４】
上記パターン設定手段が、各２次元パターンに含まれるピクセルのうち、電子ビームが照射されるピクセルを全ピクセル数の半数よりも多くなるように設定することを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡制御装置。
【請求項５】
上記パターン設定手段が、各２次元パターンを表したベクトルを行とし、これを時系列に沿って列方向にならべた行列であって、正則行列である行列を電子線照射行列として設定し、
上記画像生成手段が、上記電子線照射行列と、上記２次電子検出器において検出された時系列の検出信号を表したベクトルとに基づいて行列演算を行うことによって、試料の電子顕微鏡画像を示すベクトルを算出する行列演算部を備えており、
上記電子線照射行列が、アダマール行列、または、Ｍ系列およびＭ系列のシフトを行ベクトルとする正則行列であることを特徴とする請求項４記載の電子顕微鏡制御装置。
【請求項６】
上記画像生成手段が、各２次元パターンに基づく電子線照射が行われた際に、２次電子検出器から出力される検出信号に重畳される時系列のノイズ信号をも考慮して、試料の電子顕微鏡画像を生成することを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡制御装置。
【請求項７】
上記電子線照射装置が、上記電子ビーム照射部として、２次元の光パターンを発生するための光パターン発生部と、入射された前記光パターンに基づく電子ビームアレイを生成し、前記電子ビームアレイを増幅して出射するための電子増幅部と、前記電子ビームアレイを、加速・集束するための電子ビームレンズ部とを有しており、
上記パターン設定手段によって設定された時系列の２次元パターンに基づいて、上記光パターン発生部による光パターンの出射を制御する光パターン発生制御手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡制御装置。
【請求項８】
電子ビームによる２次元パターンを観察対象としての試料に照射する電子ビーム照射部と、電子ビームの照射によって試料から放出される２次電子を検出する２次電子検出器とを備えた電子線照射装置によって試料の電子顕微鏡画像を生成する電子顕微鏡制御方法であって、
上記電子ビーム照射部から出射すべき電子ビームの２次元パターンを時系列で設定するパターン設定ステップと、
上記パターン設定ステップによって設定された時系列の２次元パターンと、上記２次電子検出器において検出された時系列の検出信号とに基づいて、試料の電子顕微鏡画像を生成する画像生成ステップとを有し、
上記パターン設定ステップが、２次元パターンに含まれるピクセルのうち、電子ビームが照射されるピクセルを含むように、時系列の２次元パターンのそれぞれを設定するとともに、観察領域に含まれる全てのピクセル数と等しい数の２次元パターンを、互いに独立した２次元パターンとなるように時系列で設定するとともに、
時系列で設定された２次元パターンのうち、少なくとも１つの２次元パターンにおいて、該２次元パターンに含まれるピクセルのうち、電子ビームが照射されるピクセルを複数含むように設定することを特徴とする電子顕微鏡制御方法。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の電子顕微鏡制御装置が備える各手段としてコンピュータを機能させるための制御プログラム。
【請求項１０】
請求項９に記載の制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項１１】
電子ビームによる２次元パターンを観察対象としての試料に照射する電子ビーム照射部と、電子ビームの照射によって試料から放出される２次電子を検出する２次電子検出器とを備えた電子線照射装置と、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の電子顕微鏡制御装置とを備えることを特徴とする電子顕微鏡システム。
【請求項１２】
電子ビームによる２次元パターンを観察対象としての試料に照射する電子ビーム照射部と、
電子ビームの照射によって試料から放出される２次電子を検出する２次電子検出器とを備えることを特徴とする電子線照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、観察対象としての試料に対して電子線を照射し、試料から放出される２次電子を検出することによって試料の表面状態を観察する電子顕微鏡における電子顕微鏡制御装置、電子顕微鏡制御方法、制御プログラム、制御プログラムを記録した記録媒体、および電子顕微鏡システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、観察対象としての試料に対して電子線を照射し、試料から放出される２次電子を検出することによって試料の表面状態を観察する電子顕微鏡が利用されている。この電子顕微鏡において、試料から放出される２次電子の検出感度により、試料への注入電荷量が決定される。つまり、２次電子の検出感度の向上が、電子線照射によって構造・物性変化しやすい試料での電子顕微鏡観察を可能にする。
【０００３】
一方、２次元電子ビームアレイを用いた試料の表面観察は、半導体リソグラフィー技術においてレジスト表面で２次元電子ビームアレイを集束させることと等価である。ここで、レジストから放出される２次電子を検出し、この検出信号を用いて、２次元電子ビームアレイをレジスト表面でフォーカスさせる制御が行われる。つまり、２次元電子線照射における２次電子の検出感度向上という課題は、半導体リソグラフィー技術においても共通する課題である。
半導体素子の性能は、図１６に示すように、半導体リソグラフィー技術による微細加工の精度（つまり、最小加工寸法の低減化）に委ねられているといっても過言ではない。これまでの可視光帯域の光（電磁波）を利用したリソグラフィー技術による微細加工は、その光の波長に依存して解像度が決まる。このため、微細加工のより微細化を進めるためには、図１７に示すように、可視光領域からＥＵＶ（Extreme UltraViolet rays、極紫外線）やＸ線などの、より短波長帯域の光を利用する必要があった。
【０００４】
しかし、それらの短波長帯域の光は、その光の発生装置の実現や光ビームの縮小などに用いる光学系の実現が容易ではないことから、発生や制御が比較的容易である電子ビーム（電子線）を半導体リソグラフィー技術による微細加工に用いることが考えられた。
【０００５】
しかしながら、電子ビームを用いた既存の半導体製造（リソグラフィー）装置は、一本の電子ビームにて、半導体素子の回路パターンを直接描画するので、高集積度の半導体素子における回路パターンの全てを描画するのに多大な露光時間（数時間から数十時間）を要することが問題であった。つまり、光の波長に依存した微細加工限界を打ち破る電子ビーム露光方式は、”一筆書き”の一次元的な露光方式であるが故に直接ウェハー全体を露光するには多大な露光時間を要し、実用的でないという問題を生じている。
【０００６】
近年、電子ビームを用いた露光方法において、露光時間を短縮化するために、上記パターン一括描画する２次元電子ビーム一括露光方法が開発されている。そのような２次元電子ビーム一括露光方式としては、SCALPEL 方式（ＡＴ＆Ｔ）や、PRIVAIL 方式（ＩＢＭ）が提案されている。
【０００７】
SCALPEL 方式では、図１８（ａ）に示すように、メンブレン３２ａの表面上にパターン化された散乱部３２ｂを備えるレチクル３２に対し、電子ビーム３１を照射し、出射電子ビームを電子レンズ３３およびバックフォーカルプレーンフィルタ３４を有する光学系により電子レジスタを塗布した金属薄膜３５に照射・露光して上記パターンの回路を形成する方式である。SCALPEL 方式については、特許文献１にも記載されている。
【０００８】
PRIVAIL 方式においては、図１９（ａ）および図１９（ｂ）に示すように、前記パターンに応じた空孔４４ａを形成したＳｉ基板４４をレチクルとして用い、上記Ｓｉ基板４４に電子ビーム４１を照射し、空孔４４ａを通過した電子ビーム４１を、光学系を用いて、電子線レジストが塗布された金属薄膜を備えたウェハー４７上にそれぞれ照射・露光する方式である。上記光学系としては、電子レンズ４２、電子ビーム軸偏向用ヨーク４３ａを備えたイルミネーションレンズ４３、コリメーションレンズ４５、およびコントラストアパーチャ４６を備えたプロジェクションレンズ４６が挙げられる。ただし、PRIVAIL 方式は、図１９（ｃ）に示すような、中空の部分を備えたＳｉ基板４４を作製できないという不都合を有している。PRIVAIL 方式については、特許文献２にも記載されている。
【０００９】
しかしながら、前記のSCALPEL 方式は、図１８（ｂ）に示すように、電子ビーム３１がメンブレン３２ａを通過する必要があるため、その部分で著しく解像度が低下してしまうという課題を生じている。
【００１０】
また、前記のPRIVAIL 方式は、複雑なパターン、例えば図１９（ｃ）に示すような中空を備えたパターンを形成するときには、上記パターンを分割した各小パターンを上記ウェハー４７上にそれぞれ照射するため、上記各小パターンの相互間での位置あわせが必要となり、この位置あわせの精度が原因でSCALPEL 方式と同様に解像度が著しく低下する（解像度としては１００ｎｍが限界)という課題を生じている。
【００１１】
また、上記両方式においては、レチクルの製作や真空室内への上記レチクルの設置など面倒な操作が必要であるという課題も生じている。このように各方式にでは、上述した根本的な課題がある。
【特許文献１】米国特許第５，２６０，１５１号（公開日：１９９３年１１月９日）
【特許文献２】米国特許第５，４６６，９０４号（公開日：１９９５年１１月１４日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
２次元配列された電子線照射源を利用して電子顕微鏡を実現することを考えた場合、最初に想定される方法は、電子線照射源の各ピクセル毎に順に試料に電子線を照射し、１つの２次電子検出器を用いて放出される２次電子を検出して２次元画像化する方法である。
【００１３】
この方法において、例えば、有機・バイオ系試料のナノ構造観察など、電子線照射によって被写体が構造・物性変化を伴いやすく、照射時間、加速電圧共に低く設定する必要がある場合、高速で電子顕微鏡画像を取得する必要がある。このように、照射時間を短く設定しなければならない場合には、試料から放出される２次電子量が検出機器ノイズを下回るほど少なくなることが考えられ、２次電子の高い検出感度が必須となる。つまり、２次電子の検出感度が低い場合には、試料の表面観察が不可能になる。そのため、試料への全注入電荷量が可能な限り低い状態でも、顕微鏡観察が可能な程度の高い２次電子検出感度が必要とされている。
【００１４】
一方、２次元電子線照射源を用いた電子線リソグラフィーでは、２次元電子ビームアレイをレジスト表面で集束させる必要がある。ここで、前記したように、２次元電子ビームアレイをレジスト表面でフォーカスさせるためには、レジストから放出される２次電子を検出する必要がある。すなわち、照射源を用いて試料の顕微観察を行うことと等価となる。その露光における解像度を向上させるためには、加速電圧を高く設定し、電子波を短波長に保ちつつ、ビーム間および試料内部に注入された電荷間の静電的相互作用力による解像度の低下を防ぐために、試料へのトータルの注入電荷量を低く設定することが必須である。そのため、必然的に、リソグラフィーにおいても上記の２次元配列された電子線照射源を用いた電子顕微鏡における２次電子検出感度の向上が必要になる。
【００１５】
本発明の目的は、試料への全注入電荷量が低く設定され、放出された全２次電子量が十分少ない状態でも高いＳ／Ｎを有する電子顕微鏡画像を得ることを可能とする電子顕微鏡制御装置、電子顕微鏡制御方法、制御プログラム、制御プログラムを記録した記録媒体、および電子顕微鏡システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る電子顕微鏡制御装置は、上記の課題を解決するために、電子ビームによる２次元パターンを観察対象としての試料に照射する電子ビーム照射部と、電子ビームの照射によって試料から放出される２次電子を検出する２次電子検出器とを備えた電子線照射装置によって試料の電子顕微鏡画像を生成する電子顕微鏡制御装置であって、上記電子ビーム照射部から出射すべき電子ビームの２次元パターンを時系列で設定するパターン設定手段と、上記パターン設定手段によって設定された時系列の２次元パターンと、上記２次電子検出器において検出された時系列の検出信号とに基づいて、試料の電子顕微鏡画像を生成する画像生成手段とを備え、上記パターン設定手段が、２次元パターンに含まれるピクセルのうち、電子ビームが照射されるピクセルを含むように、時系列の２次元パターンのそれぞれを設定し、観察領域に含まれる全てのピクセル数と等しい数の２次元パターンを、互いに独立した２次元パターンとなるように時系列で設定する構成である。
【００１７】
また、本発明に係る電子顕微鏡制御方法は、電子ビームによる２次元パターンを観察対象としての試料に照射する電子ビーム照射部と、電子ビームの照射によって試料から放出される２次電子を検出する２次電子検出器とを備えた電子線照射装置によって試料の電子顕微鏡画像を生成する電子顕微鏡制御方法であって、上記電子ビーム照射部から出射すべき電子ビームの２次元パターンを時系列で設定するパターン設定ステップと、上記パターン設定ステップによって設定された時系列の２次元パターンと、上記２次電子検出器において検出された時系列の検出信号とに基づいて、試料の電子顕微鏡画像を生成する画像生成ステップとを有し、上記パターン設定ステップが、２次元パターンに含まれるピクセルのうち、電子ビームが照射されるピクセルを含むように、時系列の２次元パターンのそれぞれを設定するとともに、観察領域に含まれる全てのピクセル数と等しい数の２次元パターンを、互いに独立した２次元パターンとなるように時系列で設定する方法である。
【００１８】
上記の構成または方法では、まず試料に対して電子ビームが２次元パターンとして時系列で照射されるようになっている。
【００１９】
ここで、前記したように、２次元配列された電子線照射源を利用して電子顕微鏡を実現することを考えた場合、電子線照射源の各ピクセル毎に順に試料に電子線を照射する方法が考えられる。しかしながら、この方法の場合、１回の電子ビーム照射で１つのピクセルに対応する電子ビームのみが照射されることになり、２次電子量が少ない場合、Ｓ／Ｎを高めるためには、電子ビームの電流密度を高くする必要があり、前記したような問題が生じることになる。
【００２０】
これに対して、上記の構成または方法によれば、電子ビーム照射部は、試料に対して２次元パターンとしての電子ビームを照射するようになっている。よって、１回の電子ビーム照射において、複数のピクセルに電子ビームを照射することが可能となる。したがって、１つのピクセルに対応する電子ビームの強度は比較的低くても、試料全体に対する電荷注入量を確保することができるので、時系列で複数回同一ピクセルに電子線が照射されるため、等価的に、２次電子検出器による検出信号のＳ／Ｎを十分に確保することが可能となる。
【００２１】
また、観察領域に含まれる全てのピクセル数と等しい数の２次元パターンが、互いに独立した２次元パターンとなるように時系列で設定されるようになっている。よって、試料の電子顕微鏡画像におけるピクセルの数を未知数とすると、この未知数と同じ数の互いに独立した２次元パターンによる検出結果を得ることができるので、全ての未知数を算出することが可能となる。
【００２２】
すなわち、上記の構成または方法によれば、試料に対して照射する電子ビームの強度や加速電圧を低く抑え、かつ高いＳ／Ｎの電子顕微鏡画像を得ることが可能となる。よって、例えば近年需要が高まっている、電子線のエネルギーで構造・物性変化を起こしやすい有機・バイオ系試料のナノ構造観察にも好適に使用することが可能な電子顕微鏡制御装置を提供することができる。
【００２３】
また、本発明に係る電子顕微鏡制御装置は、上記の構成において、上記パターン設定手段が、時系列で設定された２次元パターンのうち、少なくとも１つの２次元パターンにおいて、該２次元パターンに含まれるピクセルのうち、電子ビームが照射されるピクセルを複数含むように設定する構成としてもよい。
【００２４】
上記の構成では、時系列で設定された２次元パターンのうち、少なくとも１つの２次元パターンにおいて、該２次元パターンに含まれるピクセルのうち、電子ビームが照射されるピクセルを複数含むように設定される。よって、１つのピクセルに対応する電子ビームの強度は比較的低くても、試料全体に対する電荷注入量を確保することができるので、２次電子検出器による検出信号のＳ／Ｎを確保することが可能となる。
【００２５】
また、本発明に係る電子顕微鏡制御装置は、上記の構成において、上記パターン設定手段が、各２次元パターンを表したベクトルを行とし、これを時系列に沿って列方向にならべた行列であって、正則行列である行列を電子線照射行列として設定し、上記画像生成手段が、上記電子線照射行列と、上記２次電子検出器において検出された時系列の検出信号を表したベクトルとに基づいて行列演算を行うことによって、試料の電子顕微鏡画像を示すベクトルを算出する行列演算部を備えている構成としてもよい。
【００２６】
上記の構成によれば、パターン設定手段によって設定される時系列の２次元パターンが電子線照射行列として表され、画像生成手段が備える行列演算部によって行列演算が行われることによって試料の電子顕微鏡画像を示すベクトルが算出されるようになっている。すなわち、行列演算という公知の演算手法を用いることによって、容易に電子顕微鏡画像を生成することができる。
【００２７】
また、本発明に係る電子顕微鏡制御装置は、上記の構成において、上記パターン設定手段が、各２次元パターンに含まれるピクセルのうち、電子ビームが照射されるピクセルを全ピクセル数の半数よりも多くなるように設定する構成としてもよい。
【００２８】
上記の構成によれば、各２次元パターンは、電子ビームが照射されるピクセルを全ピクセル数の半数よりも多くなるように設定されるので、より高いＳ／Ｎでの観察を実現することができる。
【００２９】
また、本発明に係る電子顕微鏡制御装置は、上記の構成において、上記パターン設定手段が、各２次元パターンを表したベクトルを行とし、これを時系列に沿って列方向にならべた行列であって、正則行列である行列を電子線照射行列として設定し、上記画像生成手段が、上記電子線照射行列と、上記２次電子検出器において検出された時系列の検出信号を表したベクトルとに基づいて行列演算を行うことによって、試料の電子顕微鏡画像を示すベクトルを算出する行列演算部を備えており、上記電子線照射行列が、アダマール行列、または、Ｍ系列およびＭ系列のシフトを行ベクトルとする直交行列である構成としてもよい。
【００３０】
上記の構成のように、電子線照射行列を、アダマール行列、または、Ｍ系列およびＭ系列のシフトを行ベクトルとする正則行列としているので、各２次元パターンに含まれるピクセルのうち、電子ビームが照射されるピクセルを全ピクセル数の半数よりも多くなり、かつ、直交行列である電子線照射行列を設定することができる。
【００３１】
また、本発明に係る電子顕微鏡制御装置は、上記の構成において、上記画像生成手段が、各２次元パターンに基づく電子線照射が行われた際に、２次電子検出器から出力される検出信号に重畳される時系列のノイズ信号をも考慮して、試料の電子顕微鏡画像を生成する構成としてもよい。
【００３２】
上記の構成によれば、パターン設定手段によって設定された時系列の２次元パターン、および、２次電子検出器において検出された時系列の検出信号に加えて、２次電子検出器から出力される検出信号に重畳される時系列のノイズ信号をも考慮して試料の電子顕微鏡画像が生成される。よって、より高いＳ／Ｎの電子顕微鏡画像を提供することが可能となる。
【００３３】
また、本発明に係る電子顕微鏡制御装置は、上記の構成において、上記電子線照射装置が、上記電子ビーム照射部として、２次元の光パターンを発生するための光パターン発生部と、入射された前記光パターンに基づく電子ビームアレイを生成し、前記電子ビームアレイを増幅して出射するための電子増幅部と、前記電子ビームアレイを、加速・集束するための電子ビームレンズ部とを有しており、上記パターン設定手段によって設定された時系列の２次元パターンに基づいて、上記光パターン発生部による光パターンの出射を制御する光パターン発生制御手段をさらに備えている構成としてもよい。
【００３４】
上記の構成において用いられる電子線照射装置は、２次元の光パターンに基づく電子ビームアレイを、試料上に照射・露光することにより、２次元の露光パターンを一括して描画でき、露光時間を短縮化できるものである。また、光パターンに基づいて増幅された電子ビームアレイを用いているので、試料に照射される電子ビーム強度を大きくでき、上記露光時間をさらに短縮化できて、描画速度を向上できる。
【００３５】
その上、上記構成は、マイクロ電子ビームの集合体である電子ビームアレイを用いることによって生じる、マイクロ電子ビーム間での相互作用や、電子線レジスト内部での散乱電子間の静電相互作用力を軽減することができて、上記描画パターンの精度を向上できる。
【００３６】
この結果、上記構成は、上記描画パターンの精度および描画速度を向上できるから、例えば分解能が５ｎｍ以下といった、より高い分解能の電子線照射を迅速に行うことが可能な電子線照射装置となる。
【００３７】
このような電子線照射装置に対して、光パターン発生制御手段によって光パターンの出射が制御されるので、分解能の高い電子顕微鏡画像を高速に提供することが可能となる。
【００３８】
なお、上記電子顕微鏡制御装置は、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを上記各手段として動作させることにより上記電子顕微鏡制御装置をコンピュータにて実現させる電子顕微鏡制御装置の制御プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。
【００３９】
また、本発明に係る電子線照射装置は、電子ビームによる２次元パターンを観察対象としての試料に照射する電子ビーム照射部と、電子ビームの照射によって試料から放出される２次電子を検出する２次電子検出器とを備える構成である。
【００４０】
従来、電子顕微鏡においては、１次元の電子ビームを走査することによって試料の観察を行っていた。この場合、１回の電子ビーム照射で１つのピクセルに対応する電子ビームのみが照射されることになり、２次電子量が少ない場合、Ｓ／Ｎを高めるためには、電子ビームの電流密度を高くする必要があり、前記したような問題が生じることになる。
【００４１】
これに対して、上記の構成によれば、電子ビーム照射部は、試料に対して２次元パターンとしての電子ビームを照射するようになっている。よって、１回の電子ビーム照射において、複数のピクセルに電子ビームを照射することが可能となる。したがって、１つのピクセルに対応する電子ビームの強度は比較的低くても、時系列で複数回同一ピクセルに電子線が照射されるため、等価的に、２次電子検出器による検出信号のＳ／Ｎを十分に確保することが可能となる。
【００４２】
なお、上記電子線照射装置において、前記電子ビームレンズ部が、さらに、前記電子ビームアレイを加速できるようになっていると、電子線を短波長化できるので、描画パターンを、より微細化できて、上記描画パターンの精度および描画速度を向上できる。また、前記電子ビームレンズ部が、さらに、前記電子ビームアレイをアライメントできるようになっていると、上記描画パターンの精度をより向上できる。
【００４３】
上記電子線照射装置では、前記電子増幅部は、電子を増幅する、筒状のマイクロチャネルが、前記マイクロチャネルの軸方向を前記光パターンの光軸方向に対し沿うように、複数、それぞれ、前記光軸方向に対し直交する方向に互いに隣り合って形成されていることが好ましい。
【００４４】
上記構成によれば、筒状のマイクロチャネルを、マイクロチャネルの軸方向を前記光パターンの光軸方向に対し沿うように、複数、それぞれ、前記光軸方向に対し直交する方向に互いに隣り合って形成している。このことから、光パターンに対応した電子ビームアレイを、上記各マイクロチャネルにより分割して得られた各マイクロ電子ビーム間の相互作用を抑制しながら得ることができる。この結果、上記電子ビームアレイを、より確実に得ることができる。
【００４５】
上記電子線照射装置においては、前記電子増幅部は、前記光パターンの入射側に、入射してくる光子を電子に変換して出射する光電膜を備えていてもよい。
【００４６】
上記構成によれば、光パターン発生部からの光パターンの光強度が小さくとも、光電部を、電子増幅部における、光パターンの入射側に設けたことで、上記光パターンに応じた電子パターンを電子増幅部に入射し増幅して、電子ビームアレイを、より確実に得ることが可能となる。
【００４７】
上記電子線照射装置では、さらに、前記電子増幅部は、アバランシュ型フォトコンダクタ膜であってもよい。
【００４８】
また、前記光パターン発生部は、前記光パターンを生成する液晶プロジェクタであってもよいし、前記光パターンを生成するエレクトロルミネッセンス発光部であってもよい。
【００４９】
上記構成によれば、液晶プロジェクタまたはエレクトロルミネッセンス発光部といった２次元の画像である光パターンを容易に変更できる光パターン発生部を用いて、上記光パターン発生部からの光パターンを電子増幅部に出射できるので、補正部での光パターンの補正を、より簡便化できて、上記補正による描画パターンの精度の改善を安定化することが可能となる。
【００５０】
上記電子線照射装置においては、前記光パターン発生部は、光源と、前記光源からの光により前記光パターンを生成するためのマスクパターンとを備えていてもよい。上記構成によれば、マスクパターンを用いることで、光パターン発生部を簡素化できて、全体でのコストダウンが可能となる。また、上記構成は、描画パターンに生じる歪が、ある程度まで予測できる場合、その予測に応じて補正されたマスクパターンを用いることで、上記歪を抑制できて、描画パターンの精度の向上を図ることが可能となる。
【００５１】
上記電子線照射装置では、さらに、前記電子ビームアレイによって描画されたパターンに生じる歪を低減するように前記光パターンを補正するための補正部を備えていることが望ましい。
【００５２】
上記構成によれば、電子ビームアレイによって描画されたパターンに生じる歪を低減するように光パターンを補正するための補正部を設けたので、電子ビームアレイにより描画されるパターンを、光パターン側から補正することで、所望する描画パターンに近づけることが確実化および迅速化できる。
【００５３】
上記電子線照射装置においては、前記補正部は、前記光パターン発生部を制御して、前記電子ビームアレイに生じる歪を相殺するように逆歪光パターンを生成するための逆歪光パターン生成部を備えていてもよい。
【００５４】
上記構成によれば、電子ビームアレイに生じる歪を相殺するように逆歪光パターンを生成するための逆歪光パターン生成部を設けたことで、上記相殺によって描画パターンの精度を改善できる。
【００５５】
上記電子線照射装置では、前記補正部は、前記光パターン発生部を制御して、前記光パターンを、互いに補間し合う複数の分割光パターンをそれぞれ生成するための分割光パターン生成部を備えていてもよい。
【００５６】
上記構成によれば、互いに補間し合う複数の分割光パターンをそれぞれ生成するための分割光パターン生成部を備えたことにより、複数の各分割光パターンから、互いに補間し合う、複数の各分割パターン電子ビームアレイを得ることができる。それらの各分割パターン電子ビームアレイを時間軸に沿って互いに異なる時間に電子線レジストの同一エリアに照射することで、前記光パターンに対応した描画パターンを電子線レジスト上に形成できる。
【００５７】
このとき、時分割にて用いられる、各分割パターン電子ビームアレイにおける、互いに隣り合うマイクロ電子ビームの間隔を大きくできる。これにより、各分割パターン電子ビームアレイにおける、互いに近接したマイクロ電子ビーム間および電子線レジスト内部での散乱電子間の静電相互作用力を軽減することができる。
【００５８】
その結果、上記構成は、歪の少ない所望の描画パターンが電子線レジスト上に得られるので、分割パターン電子ビームアレイによる描画パターンの高精度化が可能となる。
【００５９】
上記電子線照射装置においては、さらに、前記電子増幅部からの電子ビームアレイの出射角度のバラツキを抑制するため、電子増幅部の出射側にグリッド状静電レンズ部を有していてもよい。
【００６０】
上記構成によれば、電子ビームアレイをグリッド状静電レンズ部におけるグリッド状部を通過させることで、互いに平行化できて前記出射角度のバラツキを抑制して、上記バラツキに起因する解像度の低下を軽減できる。その上、前記出射角度のバラツキを抑制できるから、前述の光パターンとの相似性を向上できて、描画パターンの高精度化が可能となる。
【発明の効果】
【００６１】
本発明の電子ビームの照射装置は、以上のように、上記電子ビーム照射部から出射すべき電子ビームの２次元パターンを時系列で設定するパターン設定手段と、上記パターン設定手段によって設定された時系列の２次元パターンと、上記２次電子検出器において検出された時系列の検出信号とに基づいて、試料の電子顕微鏡画像を生成する画像生成手段とを備え、上記パターン設定手段が、２次元パターンに含まれるピクセルのうち、電子ビームが照射されるピクセルを複数含むように、時系列の２次元パターンのそれぞれを設定し、観察領域に含まれる全てのピクセル数と等しい数の２次元パターンを、互いに独立した２次元パターンとなるように時系列で設定する構成である。これにより、試料に対して照射する電子ビームの強度や加速電圧を低く抑え、かつ高いＳ／Ｎの電子顕微鏡画像を得ることが可能となるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６２】
本発明の一実施形態について図面に基づいて説明すると以下の通りである。
【００６３】
（電子顕微鏡システムの構成）
図２は、本実施形態に係る電子顕微鏡システムの構成を示している。同図に示すように、電子顕微鏡システムは、電子線照射ユニット５１およびコンピュータシステム５２を備えた構成となっている。
【００６４】
電子線照射ユニット５１は、真空チャンバー１、ステージ２、メカニカルドライブ３、ステージ位置モニタ４、プロジェクタ（光パターン発生部）８、光学レンズ９、光電膜１０、ＭＣＰ（Micro Channel Plate）（電子増幅部）１１、電子ビームレンズ部１２を備えた構成となっている。
【００６５】
上記電子線照射ユニット５１では、内部での真空状態を維持できる箱状の真空チャンバー１が、その真空度を１０−６Ｔｏｒｒ以下となるように設けられている。本実施の形態では、上記真空度を１０−８Ｔｏｒｒに設定した。
【００６６】
真空チャンバー１内の底部には、露光される試料５を載置するためのステージ（載置台）２が、２次元の水平方向に移動可能に取り付けられている。真空チャンバー１の内部または外部には、ステージ２を移動駆動するためのメカニカルドライブ３が、後述するコントローラ１７により制御可能に設けられている。また、上記ステージ２の位置（つまり移動位置）をモニタするためのステージ位置モニタ４が、そのモニタ位置を後述するコントローラ１７に通知するように取り付けられている。
【００６７】
真空チャンバー１内の頂部近傍には、半導体素子の回路パターンに応じた２次元の光パターン１３を生成するためのプロジェクタ８が、プロジェクタ８の発光表面から上記光パターン１３を外部に対して出射するように設けられている。
【００６８】
上記プロジェクタ８としては、透過型液晶方式と単板式ＤＬＰ（Digital Light Processing）方式とが挙げられる。光パターン１３のダーク部分に存在する微量の光子は、ＭＣＰ１１により１０００倍以上に増倍され（詳細は後述する）、最終的に試料５に照射されるため、コントラスト比が一般に高いとされる単板式ＤＬＰ方式がより望ましい。この単板式ＤＬＰ方式に対応するプロジェクタとしては、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）などが挙げられる。
【００６９】
上記プロジェクタ８とＭＣＰ１１との間の光路中には、必要に応じて、光パターン１３をＭＣＰ１１の入射側に効率よく入射するための凸または凹の光学レンズ９が設けられていてもよい。また、ＭＣＰ１１の入射側に、入射した光を電子に変換して出射する光電膜１０が設けられていることが望ましい。
【００７０】
なお、上記の例では、プロジェクタ８から２次元の光パターン１３が出射され、ＭＣＰ１１に照射されるようになっているが、液晶シャッター等によって構成されるフォトマスクをＭＣＰ１１の光入射側面に設置し、該フォトマスクに対して均一な全面光を照射する光源を設ける構成としてもよい。この構成の場合、光源から出射した光は、フォトマスクによって２次元の光パターン１３に変換され、この光パターン１３がＭＣＰ１１に照射されることになる。ここで、最終的には、後述する電子ビームレンズ部１２で、パターン化された電子ビームアレイ１４が集束されるので、フォトマスクの解像度は、比較的低いものであってもよいことになる。すなわち、解像度の高い高価なフォトマスクを設ける必要はない。
【００７１】
また、有機エレクトロルミネッセンス（以下、ＥＬと略記する）発光素子をマトリクス上に配置したＥＬ発光部を、プロジェクタ８と後述の光学レンズ９の代わりに利用できる。この場合、ＥＬ発光部を光電膜１０に接するように配置し、ＥＬ発光部から出射される光パターン１３が、直接、光電膜１０に等倍投射される。いずれにせよ、光パターン１３を光電膜１０に照射する段階（言い換えると、後述するＭＣＰ１１への入射位置）では、上記光パターン１３は、μｍレベルの精度があれば充分である。
【００７２】
プロジェクタ８から出射され、光学レンズ９によって集光された光パターン１３は、光電膜１０を介してＭＣＰ１１に照射される。ＭＣＰ１１は、入射された光パターン１３に基づく、パターン化された電子ビームアレイ１４を生成する。この電子ビームアレイ１４は、ＭＣＰ１１によって、光電膜１０において出射された電子ビームを数千倍から数千万倍までに増幅する。なお、ＭＣＰ１１の構成の詳細については後述する。
【００７３】
上記光電膜１０の素材としては、マルチアルカリ（Ｎａ−Ｋ−Ｓｂ−Ｃｓ）、バイアルカリ（Ｓｂ−Ｒｂ−Ｃｅ、Ｓｂ−Ｋ−Ｃｓ）、Ｃｅ−Ｔｅ、Ａｇ−Ｏ−Ｃｓ、ＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ等が代表的なものとして挙げられる。可視領域では、ＣｄＳが広く用いられ、感度を増すために一般に（Ｃｕ、Ａｇ、Ｓｂ等）が添加される。本実施形態では、ＣｄＳを用いている。
【００７４】
なお、上記光パターン１３の光子がＭＣＰ１１のマイクロチャネルにおける内面の半導体部の仕事関数を上回るエネルギーを持つ場合、光電膜１０を省くことができる。また、２００ｎｍ以下の短波長のＵＶによる光パターン１３をＭＣＰ１１の内側に照射した場合も、上記内面の半導体部から二次電子（secondary electron）が発生し、上記光パターン１３に応じた電子ビームアレイ１４を得ることができるので、光電膜１０は不必要となる。上記ＵＶによる光パターン１３の作製には、ＵＶフォトマスクをＭＣＰ１１の光の入射側面に設置すればよい。
【００７５】
また、ＭＣＰ１１から出射される、パターン化された電子ビームアレイ１４の光路に沿って、上記電子ビームアレイ１４を加速、集束、アライメント、および投影するための電子ビームレンズ部１２が設けられている。なお、電子ビームレンズ部１２の構成の詳細については後述する。
【００７６】
ＭＣＰ１１から出射され、電子ビームアレイ１４によって加速・集束された電子ビームは、試料５表面に到達し、これにより、試料５の表面状態に応じた２次電子が放出される。２次電子検出器１５は、試料５から放出された２次電子を検出する。
【００７７】
また、コンピュータシステム５２は、コンピュータ本体としてのコントローラ１７、表示出力部としてのディスプレイ１８、および、キーボードやマウス等の入力部１９を備えている。コントローラ１７は、プロジェクタ８、電子ビームレンズ部１２、およびメカニカルドライブ３の動作制御を行うとともに、２次電子検出器１５における検出結果信号に基づいて電子顕微鏡画像を生成する処理を行う。なお、コントローラ１７の構成の詳細については後述する。
【００７８】
（ＭＣＰの構成）
次に、前記ＭＣＰ１１の構成について説明する。ＭＣＰ１１は、図３および図４に示すように、電子を増幅する筒状のマイクロチャネル１１ａが複数設けられた構成となっている。各マイクロチャネル１１ａは、それぞれの軸方向が互いに平行となり、かつ、軸方向に垂直な２次元方向に並んで配置される。各マイクロチャネル１１ａの軸方向が、ＭＣＰ１１に対して入射する前記光パターン１３の光軸方向に平行となるように、ＭＣＰ１１が設けられる。
【００７９】
上記筒状としては、円筒状や、四角筒状、六角筒状が挙げられるが、製作の容易さから、本実施形態では、円筒状が用いられている。
【００８０】
ＭＣＰ１１の作製については、ＭＣＰ１１の１つのマイクロチャネル１１ａを取り上げて以下に説明する。まず、例えば鉛ガラス板の本体１１ｂに、その厚さ方向に複数の筒状部を互いに平行に形成する。上記筒状部の直径は、１μｍ〜１００μｍに、その直径に対する筒状部の長さの比（Ｌ／ｄ）は、２０〜２００、より好ましくは４０〜１００に設定されている。本実施形態では、直径を２μ〜１０μｍ、比（Ｌ／ｄ）を４０〜８０に設定している。また、筒状部の軸方向は、鉛ガラス板の表面の法線方向に沿った平行としてもよいし、８°程度まで傾斜していてもよいが、本実施形態では平行としている。
【００８１】
次に、各筒状部の内面に、一個の電子が衝突すると、上記衝突方向に沿った方向に複数の二次電子を放出するダイノード（dynode）構造を備えた半導体部１１ｃを形成する。上記半導体部１１ｃは、本体１１ｂを水素雰囲気下、２５０℃〜４５０℃の高温での還元により本体１１ｂの表面状に抵抗性の半導体部として形成される。上記半導体部１１ｃの本体１１ｂの厚さ方向での抵抗値は、１０８Ω〜１０１０Ωに設定されている。
【００８２】
続いて、筒状の各半導体部１１ｃが厚さ方向に形成された鉛ガラス板の本体１１ｂの両表面に、ニクロムまたはインコネルの蒸着により各電極１１ｄ、１１ｅをそれぞれ形成して、マイクロチャネル１１ａが作製される。
【００８３】
このようなマイクロチャネル１１ａでは、各電極１１ｄ、１１ｅ間に、電子の入射側をマイナス、電子の出射側をプラスとして、図５に示すように、６００Ｖ〜１１００Ｖの直流電圧を印加しておくと、電子の入射側の電極１１ｄ側から、マイクロチャネル１１ａ内の半導体部１１ｃに一個の電子２５が衝突すると、上記衝突方向に沿った方向に複数の二次電子２７を放出し、その放出された各電子２７が半導体部１１ｃにそれぞれ衝突して、さらに多くの電子を放出することを繰り返すことにより、１個の電子２５が５×１０２個〜３×１０５個の電子ビーム２９となって出射することになる。図５に示すCHEVRONとは、ＭＣＰ１１を二段に形成したものである。
【００８４】
よって、前述の電子ビームアレイ１４は、上記の各マイクロチャネル１１ａにそれぞれ対応した複数の各マイクロ電子ビームが集合したものである。複数の各マイクロ電子ビームは、互いに離間しており、かつ、前記光パターン１３の光路方向、および上記の各マイクロチャネル１１ａの長手方向に沿ったものである。ただし、複数の各マイクロ電子ビームは、上記光路方向や長手方向に対して、必ずしも平行となっていなくともよく、集束時にように傾斜していてもよい。
【００８５】
なお、上述した光電膜１０＋ＭＣＰ１１の代用品としてＨＡＲＰ（High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor）膜をアバランシュ型フォトコンダクタ膜として利用することができる。ＨＡＲＰ膜とは、高圧を印加したアモルファスセレンの膜を意味する。ＨＡＲＰ膜の表面に光が入射すると、ＨＡＲＰ膜にて光電変換が起こり、さらに膜中で電荷がなだれ増幅し、電子を出射する。したがって、光パターン１３をＨＡＲＰ膜の一方の表面に入射することで、パターン化された電子ビームアレイ１４がＨＡＲＰ膜の他方の表面から出射して得られる。
【００８６】
また、プロジェクタ８＋光電膜１０＋ＭＣＰ１１に代えて、電圧制御によりパターン化された電子ビームアレイ１４を生成し、レジストを感光させるためのデバイスとして、表面伝導型電子放出素子(SED: Surface-conduction Electron-emitter)、シリコンやモリブデンから成る先端を尖らせたマイクロディップアレイ、カーボンナノチューブアレイ、およびダイヤモンド薄膜等の電界放出ディスプレイ(FED, Field Emission Display）用電子放出源からなるデバイス群から選択された少なくとも一つを利用することが可能である。
【００８７】
（電子ビームレンズ部の構成）
次に、電子ビームレンズ部１２の構成について説明する。電子ビームレンズ部１２は、図６に示すように、加速管部１２ａ、集束レンズ部１２ｂ、アライメント用の多重極偏向電極部１２ｃ、および投影レンズ部１２ｄを、それぞれ、上記電子ビームアレイ１４の進行方向に沿って配置した構成となっている。電子ビームレンズ部１２では、少なくとも集束レンズ部１２ｂが設けられていればよいが、必要に応じて、加速管部１２ａ、アライメント用の多重極偏向電極部１２ｃ、および投影レンズ部１２ｄの少なくとも何れかが設けられていてもよい。
【００８８】
加速管部１２ａは、電子ビームアレイ１４を加速させ、その電子線の波長を短波長化させ、最終的に、電子線レジスト７での描画解像度を向上させるためのものである。集束レンズ部１２ｂは、パターン化された電子ビームアレイ１４の光路方向に直交する面内方向において、パターンを集束させるためのものである。多重極偏向電極部１２ｃは、集束レンズ部１２ｂを通過後の電子ビームアレイ１４の歪みを補正するためのものである。投影レンズ部１２ｄは、多重極偏向電極部１２ｃの通過後の電子ビームアレイ１４を所望のサイズの２次元電子ビームパターン１４ａとして試料５に照射するためのものである。
【００８９】
加速レンズまたは加速電極といった加速管部１２ａによって、電子ビームアレイ１４の電子線は１００ｋｅＶにおいて約波長０．０１ｎｍ程度まで短波長化される。この短波長化された上記電子ビームアレイ１４により、より微細な、５ｎｍスケール以下の２次元電子ビームパターン１４ａを試料５上に照射することが可能となる。
【００９０】
（コントローラの構成）
次に、コントローラ１７の構成について図１を参照しながら説明する。同図に示すように、コントローラ１７は、プロジェクタ制御部（光パターン発生制御手段）６１、電子レンズ制御部６２、検出信号受信部６３、メカニカルドライブ制御部６４、電子線照射行列設定部（パターン設定手段）６５、行列演算部（画像生成手段）６６、画像処理部（画像生成手段）６７、表示制御部６８、および入力制御部６９を備えた構成となっている。
【００９１】
プロジェクタ制御部６１は、プロジェクタ８の動作を制御する。具体的には、プロジェクタ制御部６１は、プロジェクタ８から出射すべき光パターン１３を出射するように制御するとともに、光パターン１３の出射タイミングも制御する。
【００９２】
電子レンズ制御部６２は、電子ビームレンズ部１２の動作を制御する。検出信号受信部６３は、２次電子検出器１５から出力された検出信号を受信し、Ａ／Ｄ（Analog / Digital）変換処理を行う。メカニカルドライブ制御部６４は、ステージ位置モニタ４によるステージ２の位置検出結果に基づいてメカニカルドライブ３を駆動し、ステージ位置の調整を行う。
【００９３】
電子線照射行列設定部６５は、後述する電子線照射行列を設定する処理を行う。電子線照射行列設定部６５によって設定された電子線照射行列はプロジェクタ制御部６１に伝送され、プロジェクタ制御部６１は、この電子線照射行列に示されている２次元パターンのシーケンスに従って光パターン１３の出力制御を行う。
【００９４】
行列演算部６６は、上記電子線照射行列、および、検出信号受信部６３によって受信された検出信号に基づいて行列演算を行い、電子顕微鏡画像データを生成する処理を行う。この行列演算の詳細については後述する。
【００９５】
画像処理部６７は、行列演算部６６によって生成された電子顕微鏡画像データに対して画像処理を施すことにより、ディスプレイ１８に表示可能な画像データを生成する処理を行う。
【００９６】
表示制御部６８は、コントローラ１７における動作状態を示す情報、および、画像処理部６７によって生成された画像データなどをディスプレイ１８に表示させる制御を行う。入力制御部６９は、入力部１９によって受け付けられたユーザからの指示入力を受け付ける処理を行う。
【００９７】
（２次元電子ビームパターンの補正処理）
プロジェクタ制御部６１は、加速、集束、アライメント、および投影された電子ビームアレイ１４によって描画される２次元電子ビームパターン１４ａに生じる歪を低減するように前記光パターン１３を補正するための補正部としても機能するように設定されている。
【００９８】
まず、上記補正の第一の例として、電子ビームレンズ部１２における歪の補正が挙げられる。電子ビームレンズ部１２により発生する電界は、空間的に強度分布を示すため、集束される、パターン化された電子ビームアレイ１４の中心付近とパターンの外郭付近では縮小率が異なる。これを解決するために、所望パターンに対する、電子ビームレンズ部１２にて生じる歪の逆関数の積である入射光パターン（逆歪光パターン）を生成するように、プロジェクタ制御部６１はプロジェクタ８を制御する。よって、プロジェクタ制御部６１は、逆歪光パターン生成部を備えていることになる。
【００９９】
これにより、上記第一の例では、電子ビームレンズ部１２において、電子ビームアレイ１４によって描画される２次元電子ビームパターン１４ａに生じる歪を、上記入射光パターンにより相殺することができる。すなわち、通常の電子ビームの解像度で、試料５上に２次元電子ビームパターン１４ａを照射することが可能となる。
【０１００】
この結果、上記第一の例においては、２次元電子ビームパターン１４ａを、光パターン１３側から補正することで、高精度かつプログラマブルに照射することができる。それゆえ、たとえば分解能が５ｎｍ以下といった、より高い分解能の電子顕微鏡システムを高精度かつ低コストで実現することができる。
【０１０１】
次に、上記補正の第二の例として、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、電子ビームアレイ１４が電子ビームレンズ部１２により集束されて、試料５に近づくに伴い、図７（ｃ）に示すように、互いに隣り合うマイクロ電子ビーム１４ｂ間での相互作用力が大きくなり、上記相互作用力による散乱に起因した解像度が低下するという不都合を回避する例を挙げる。
【０１０２】
そこで、図８（ａ）に示すように、ＭＣＰ１１の各マトリクスである各マイクロチャネル１１ａに入射する光パターン１３から、互いに補間し合う各ドットからなる複数の各分割光パターン１１ａ−１〜１１ａ−３を、時分割的にそれぞれ生成するようにプロジェクタ８がプロジェクタ制御部６１により制御される。各分割光パターン１１ａ−１〜１１ａ−３は、互いに補間し合うように形成されているので、図８（ｂ）に示すように、互いに重ねると元の光パターン１３となるようになっている。よって、プロジェクタ制御部６１は、分割光パターン生成部を備えていることになる。
【０１０３】
このように補正の第二例においては、試料５上に照射される、各分割光パターン１１ａ−１〜１１ａ−３に基づくマイクロ電子ビーム１４ｂは、互いの間隔が広くなるために、上記相互作用力による不都合を抑制できる。この結果、補正の第二の例においても、解像度の低下を回避できるので、超高密度ＬＳＩが、より高精度、低コストかつプログラマブルに製造できる。
【０１０４】
また、本実施形態に係る電子顕微鏡システムにおいて、ＭＣＰ１１からの電子ビームアレイ１４の出射角度のバラツキに起因した分解能の低下を防止するために、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、ＭＣＰ１１の出射側にグリッド状静電レンズ部１６を設けてもよい。
【０１０５】
グリッド状静電レンズ部１６には、ＭＣＰ１１の各マイクロチャネル１１ａにそれぞれ対応したグリッド（格子）状の各空間部１６ａが各マイクロチャネル１１ａからの各増幅電子ビームの進行方向に沿った空間を備えるようにそれぞれ形成されている。これにより、上記グリッド状静電レンズ部１６に電圧を印加しておくと、ＭＣＰ１１からの電子ビームアレイ１４に対し引力を発生し、加速化させた上記電子ビームアレイ１４をグリッド状の各空間部１６ａ内を通過させることで、互いに平行化できて前記出射角度のバラツキを抑制して、上記バラツキに起因する分解能の低下を軽減でき、かつ、前述の光パターン１３との相似性を向上できて、２次元電子ビームパターン１４ａの高精度化が可能となる。
【０１０６】
このように直径が１０μｍのマイクロチャネル１１ａを、互いに隣り合う各マイクロチャネル１１ａの中心間の間隔が１２μｍのＭＣＰ１１を用いて、定格２ｋｅＶをＭＣＰ１１の各電極１１ｄ、１１ｅに印加して露光電流の合計が２０ｍＡとすると、図１０（ａ）に示すように、ＭＣＰ１１の１マイクロチャネル１１ａ当たり０．５μＡのマイクロ電子ビーム１４ｂが得られるので、図１０（ｃ）に示す、同じ露光電流を利用した従来の電子ビーム１４ｃを用いた電子顕微鏡の４００００倍のＳ／Ｎになることが分かった。
【０１０７】
この数値はＭＣＰ１１の各マイクロチャネル１１ａの形成数に相当し、さらに多数のマイクロチャネル１１ａを備えたＭＣＰ１１を利用すれば、露光速度はそれに比例して上昇すると考えられる。
【０１０８】
（電子線照射方法の参考例）
ＭＣＰ１１から放出された電子ビームアレイ１４は、上記したように加速・集束され、試料５表面に時系列で順に到達し、これにより、試料５の表面状態に応じた２次電子が放出される。この２次電子が２次電子検出器１５によって検出され、この検出信号に基づいて行列演算部６６および画像処理部６７によって画像化されることによって、電子顕微鏡画像が得られる。以下に、本発明の実施例の一例である参考例としての電子線照射方法を図１１を参照しながら説明する。
【０１０９】
図１１に示す例では、簡単のため、プロジェクタ８から出射される２次元の光パターン１３の全ピクセル数を５×５の２５ピクセルとしており、この２次元パターンを行列として示している。なお、行列内の各数字において、１が電子線照射が行われるピクセル、０が電子線照射が行われないピクセルをそれぞれ示している。
【０１１０】
Ａ１に示す行列では、（１，１）のピクセルのみが１となっており、Ａ２に示す行列では、（２，１）のピクセルのみが１となっており、Ａ３以降も同様に、順次１つのピクセルのみが１となっている。このような行列を２５個用意し、これらの行列に基づいた２次元パターンによる電子線照射を順に行うことによって、全てのピクセルにおいて１回電子線照射が行われることになる。
【０１１１】
上記の場合、１回の電子線照射において照射される２次元パターンは、２５次元（５×５＝２５ピクセル）ベクトルで表記することができる。具体的には、図１２において、Ａ１およびＡ２に示す行列は、それぞれＢ１およびＢ２に示すベクトルで表記することができる。そして、Ｂ１〜Ｂ２５を縦に並べるとＣに示す２５×２５の行列で表記することができる。この２５×２５の行列を電子線照射行列と称する。この電子線照射行列は、２次元パターンの全ピクセルを順に電子線照射した場合の時系列を示したものとなる。
【０１１２】
以上のような電子線照射方法が行われた場合、前記したように、Ｓ／Ｎ（signal to noise ratio）の観点において被写体としての試料５に与える影響（構造変化等）、および、試料５のチャージアップを最小限に抑えるという観点において大きな問題点がある。電子線の強度や加速電圧を低くすることによってトータルの電荷注入量をなるべく低く設定することが好ましいが、この場合、各ピクセルからの２次電子放出量に対応した信号強度が機器ノイズを下回った場合、観察が不可能になるという問題がある。
【０１１３】
（電子線照射方法）
以上の問題を解決するために、本実施形態では、１回の電子線照射において照射される２次元パターンを、複数のピクセルにおいて電子線照射が行われるパターンとし、これらの２次元パターンを所定の規則に基づいて変化させて複数回電子線照射を行うものとしている。例えば、２次元パターンに含まれるピクセルの内、半分のピクセルにおいて電子線照射源をＯＮとする（行列において１とする）場合、１回の電子線照射によって２次電子検出器１５において検出される信号は（全ピクセル）／２倍に増加する。すなわち、検出される信号強度が大きくなり、各ピクセルが複数回電子線を照射された後、電子線画像を算出するための演算においてノイズが平均化されて小さくなるので、等価的なＳ／Ｎ（signal to noise ratio）が向上することになる。すなわち、検出される信号強度が大きくなり、各ピクセルが複数回電子線を照射された後、電子線画像を算出するための演算においてノイズが平均化されて小さくなるので、等価的なＳ／Ｎが向上することになる。このようにＳ／Ｎを向上させることができる２次元パターンに基づく電子線照射を全ピクセル数回照射し、各電子線照射によって得られた信号に対して演算処理を施すことによって、各ピクセルから放出された２次電子量を算出することができる。これにより、２次元電子顕微鏡画像を得ることが可能となる。
【０１１４】
例えば２次元パターンが５×５ピクセルの場合、２５回互いに異なる２次元パターンによる電子線照射が行われる。ここで未知数が２５個なので、２５種類の互いに異なる（行列で言えば互いに直交する）２次元パターンによって電子線照射が行われることにより、全ての未知数を算出することができる。
【０１１５】
（演算処理の具体例）
以下では、２次元パターンの具体例、および、得られた信号から電子顕微鏡像を得るアルゴリズムについて、上記した電子線照射行列を用いて説明する。
【０１１６】
まず、Ｌ×Ｌの電子線照射行列を行列Ｂとする。上で定義したように、この電子線照射行列による電子顕微鏡画像の全ピクセル数はＬとなる。また、各２次元パターンに基づく電子線照射が行われた際に、試料５から放出される２次電子量の時系列を示すＬ次元列ベクトルをベクトルＡと定義する。また、各２次元パターンに基づく電子線照射が行われた際に、２次電子検出器１５から出力される検出信号に重畳されるノイズの時系列を示すＬ次元列ノイズベクトルをベクトルＣとする。ここで、ベクトルＣは機器ノイズを示すものであり、試料５から２次電子が放出されていない状態でも発生している出力信号である。このノイズは、注入電荷量を低く設定した場合には、信号に起因したジョンソンノイズよりも十分大きい。また、各２次元パターンに基づく電子線照射が行われた際に、２次電子検出器１５において検出される検出信号の時系列を示すＬ次元列ベクトルをベクトルＳとする。行列Ｂ、ベクトルＡ、ベクトルＣ、およびベクトルＳの関係は、次式で表される。
【０１１７】
【数１】
2007141797.tif 000003
【０１１８】
前記した参考例の場合、行列Ｂは単位行列となる。本実施形態の場合、行列Ｂは次の２つの条件を満たす場合、高感度化を実現するために適している。（１）全ての行において、１の数が占める割合が大きい。（２）測定では、式（１）の行列Ｂ、ベクトルＳ、およびベクトルＣが得られるので、ベクトルＡを求めるためには、行列Ｂの逆行列が存在する必要がある。すなわち、行列Ｂは正則行列である必要がある。
【０１１９】
上記の２つの条件を満たす正則行列としては、アダマール行列、ならびに、Ｍ系列およびＭ系列のシフトを行ベクトルとする直交行列が最適である。Ｍ系列とは、原始多項式（周期がｑｍ−１に一致するガロア体ＧＦ（ｑ）上のｍ次既多項式）を生成多項式とする巡回符号系列であり、その周期は原始多項式をｍ次とした場合、２ｍ＋１−１となる。
【０１２０】
例えば原始多項式を、ａ５＝ａ４＋ａ３＋ａ１＋ａ０で示される４次の漸化式とすると、周期は２５−１＝３１となる。この原始多項式によって生成されたＭ系列を図１３（ａ）に示す。また、このＭ系列における各要素の配置位置を順にシフトさせることによって生成されるＭ系列群によって構成される行列を図１３（ｂ）に示す。この行列が電子線照射行列としての行列Ｂとして電子線照射行列設定部６５によって設定される。なお、電子線照射行列設定部６５は、予め上記のように定められた電子線照射行列を記憶しておいてもよいし、必要とされる要素の数に応じて電子線照射行列を上記のように算出するようになっていてもよい。
【０１２１】
図１４は、上記のように設定された電子線照射行列としての行列Ｂに基づいて電子線照射が時系列で行われる場合の各２次元パターンの状態を示している。（Ａ）に示す２次元パターンは、行列Ｂの１行目に基づいて電子線照射される２次元パターンを示しており、（Ｂ）に示す２次元パターンは、行列Ｂの２行目に基づいて電子線照射される２次元パターンを示しており、（Ｃ）に示す２次元パターンは、行列Ｂの３１行目に基づいて電子線照射される２次元パターンを示している。このように、電子線照射行列に基づいて２次元パターンを２ｍ＋１−１回電子線照射することにより、電子顕微鏡画像を高いＳ／Ｎで測定することができる。
【０１２２】
具体的には、図１５に示すように、プロジェクタ制御部６１が、電子線照射行列に基づいて、第１〜第２ｍ＋１−１の光パターン１３を所定の時間間隔で出射させるようにプロジェクタ８を制御する。これによって、ＭＣＰ１１からは、第１〜第２ｍ＋１−１の電子ビームアレイ１４が順に出射され、試料５に照射されることになる。
【０１２３】
以下では、行列Ｂが、図１４に示したような、Ｍ系列の巡回符号で構成される行列である場合に、行列演算部６６が、式（１）からベクトルＡを算出する方法について説明する。
【０１２４】
まず、行列Ｂにおいて、要素の値が０となっている要素部分を−１に置き換えた行列（この行列の各行はｐｎ系列と呼ばれる）を行列Ｂ’とおくと、行列Ｂは次のように表すことができる。
【０１２５】
【数２】
2007141797.tif 000004
【０１２６】
上式において、行列Ｅ’は、全ての要素が１となっている行列を示している。この式（２）を式（１）に代入すると、次式が得られる。
【０１２７】
【数３】
2007141797.tif 000005
【０１２８】
式（３）において、ベクトルＡについて解くために、行列Ｂ’の転置行列Ｂ’Ｔを両辺にかけると次式が得られる。
【０１２９】
【数４】
2007141797.tif 000006
【０１３０】
ここで、行列Ｂ’ＴＢ’の各要素は、ｐｎ系列における自己相関関数に相当し、行列Ｂ’ＴＢ’ の各要素ｂ’ｉｊは、次式で表される。
【０１３１】
【数５】
2007141797.tif 000007
【０１３２】
一方、行列Ｂ’ＴＥ’において、ｐｎ系列では、１の数が−１の数より１つだけ多いので、次式が得られる。
【０１３３】
【数６】
2007141797.tif 000008
【０１３４】
よって、Ｌ＞＞１の場合、式（５）および式（６）に基づいて、次式を得ることができる。
【０１３５】
【数７】
2007141797.tif 000009
【０１３６】
ここで、行列ＥはＬ×Ｌの単位行列を示している。この式（７）および式（４）に基づいて、次式が得られる。
【０１３７】
【数８】
2007141797.tif 000010
【０１３８】
上式より、行列Ｂ’Ｔを求めることによって、ベクトルＡが求まり、２次元電子顕微鏡画像を得ることができることがわかる。ここで、行列Ｂ’Ｔは、電子線照射行列設定部６５によって設定された行列Ｂにおいて、要素の値が０となっている要素部分を−１に置き換えて転置することによって容易に求められるものである。
【０１３９】
最後に、コントローラ１７の各ブロック、特に電子線照射行列設定部６５および行列演算部６６は、ハードウェアロジックによって構成してもよいし、次のようにＣＰＵを用いてソフトウェアによって実現してもよい。
【０１４０】
すなわち、コントローラ１７は、各機能を実現する制御プログラムの命令を実行するＣＰＵ（central processing unit）、上記プログラムを格納したＲＯＭ（read only memory）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（random access memory）、上記プログラムおよび各種データを格納するメモリ等の記憶装置（記録媒体）などを備えている。そして、本発明の目的は、上述した機能を実現するソフトウェアであるコントローラ１７の制御プログラムのプログラムコード（実行形式プログラム、中間コードプログラム、ソースプログラム）をコンピュータで読み取り可能に記録した記録媒体を、上記コントローラ１７に供給し、そのコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ）が記録媒体に記録されているプログラムコードを読み出し実行することによっても、達成可能である。
【０１４１】
上記記録媒体としては、例えば、磁気テープやカセットテープ等のテープ系、フロッピー（登録商標）ディスク／ハードディスク等の磁気ディスクやＣＤ−ＲＯＭ／ＭＯ／ＭＤ／ＤＶＤ／ＣＤ−Ｒ等の光ディスクを含むディスク系、ＩＣカード（メモリカードを含む）／光カード等のカード系、あるいはマスクＲＯＭ／ＥＰＲＯＭ／ＥＥＰＲＯＭ／フラッシュＲＯＭ等の半導体メモリ系などを用いることができる。
【０１４２】
また、コントローラ１７を通信ネットワークと接続可能に構成し、上記プログラムコードを通信ネットワークを介して供給してもよい。この通信ネットワークとしては、特に限定されず、例えば、インターネット、イントラネット、エキストラネット、ＬＡＮ、ＩＳＤＮ、ＶＡＮ、ＣＡＴＶ通信網、仮想専用網（virtual private network）、電話回線網、移動体通信網、衛星通信網等が利用可能である。また、通信ネットワークを構成する伝送媒体としては、特に限定されず、例えば、ＩＥＥＥ１３９４、ＵＳＢ、電力線搬送、ケーブルＴＶ回線、電話線、ＡＤＳＬ回線等の有線でも、ＩｒＤＡやリモコンのような赤外線、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、８０２．１１無線、ＨＤＲ、携帯電話網、衛星回線、地上波デジタル網等の無線でも利用可能である。なお、本発明は、上記プログラムコードが電子的な伝送で具現化された、搬送波に埋め込まれたコンピュータデータ信号の形態でも実現され得る。
【０１４３】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
本発明の電子顕微鏡システムは、近年需要が高まっている有機・バイオ系試料のナノ構造観察に好適に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１】本発明の一実施形態に係る電子顕微鏡システムの構成において、コントローラが備える機能ブロックを示すブロック図である。
【図２】上記電子顕微鏡システムの概略構成を示す図である。
【図３】上記照射装置に用いるＭＣＰのマイクロチャネルにおける要部破断の斜視図である。
【図４】上記ＭＣＰの要部破断の斜視図である。
【図５】上記ＭＣＰの印加電圧とゲインとの関係を示すグラフである。
【図６】上記ＭＣＰと電子レンズビーム部とにおける、光パターンから電子ビームアレイが生成され、集束され、投影される状態を示す斜視図である。
【図７】上記電子ビームアレイが集束される状態を示し、（ａ）は上記状態の斜視図、（ｂ）は集束されて試料上での上記電子ビームアレイの状態を示す斜視図であり、（ｃ）は集束された上記電子ビームアレイでの各電子ビーム間の相互作用を示す概略正面図である。
【図８】上記電子ビームアレイの各マイクロ電子ビーム間の相互作用を緩和するための一例を示し、（ａ）は上記電子ビームアレイを生成するための光パターンを分割して形成した、互いに補間する各分割光パターンの例を示す平面図であり、（ｂ）は上記各分割光パターンを合わせたときの電子ビームアレイを示す平面図である。
【図９】上記ＭＣＰからの電子ビームアレイを整形するためのグリッド状静電レンズ部を示し、（ａ）は上記グリッド状静電レンズ部の要部破断斜視図であり、（ｂ）は上記グリッド状静電レンズ部の断面図である。
【図１０】（ａ）は本発明の電子ビームを示す概略正面図であり、（ｂ）は従来の電子ビームを示す概略正面図である。
【図１１】参考例としての電子線照射方法において、時系列で電子線照射される２次元パターンの例を示す図である。
【図１２】参考例としての電子線照射方法において、２次元パターンを示す行列をベクトルで示した状態、および、２次元パターンの全ピクセルを順に電子線照射した場合の時系列を示す電子線照射行列を示す図である。
【図１３】（ａ）は、原始多項式によって生成されたＭ系列の例を示す図であり、（ｂ）は、Ｍ系列における各要素の配置位置を順にシフトさせることによって生成されるＭ系列群によって構成される行列を示す図である。
【図１４】電子線照射行列に基づいて電子線照射が時系列で行われる場合の各２次元パターンの状態を示す図である。
【図１５】電子線照射行列に基づいて光パターンがＭＣＰ１１に照射され、電子ビームアレイが出射される状態を示す図である。
【図１６】半導体素子としてのＤＲＡＭ、マイクロプロッセッサの最小加工寸法における、経年的で、一般的な減少の変化を示すグラフである。
【図１７】Ｘ線露光、ＥＵＶ露光、電子線露光における露光波長と解像度との関係を示すグラフである。
【図１８】従来の電子ビームでの露光の例を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は拡大断面図である。
【図１９】従来の電子ビームでの露光の他の例を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は拡大断面図、（ｃ）は上記他の例では不可能な、レチクルとしてのＳｉ基板での空孔の例を示す正面図である。
【符号の説明】
【０１４６】
１  真空チャンバー
２  ステージ
３  メカニカルドライブ
４  ステージ位置モニタ
５  試料
７  電子線レジスト
８  プロジェクタ（光パターン発生部）
９  光学レンズ
１０  光電膜
１１  ＭＣＰ（電子増幅部）
１２  電子ビームレンズ部
１３  光パターン
１４  電子ビームアレイ
１５  ２次電子検出器
１６  グリッド状静電レンズ部
１７  コントローラ
１８  ディスプレイ
１９  入力部
５１  電子線照射ユニット
５２  コンピュータシステム
６１  プロジェクタ制御部（光パターン発生制御手段）
６２  電子レンズ制御部
６３  検出信号受信部
６４  メカニカルドライブ制御部
６５  電子線照射行列設定部（パターン設定手段）
６６  行列演算部（画像生成手段）
６７  画像処理部（画像生成手段）
６８  表示制御部
６９  入力制御部
【図１】
2007141797.tif 000011
【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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