(57)【要約】【目的】本発明は、リターディング電圧を用いた荷電粒子線装置に関し、２次電子が１次電子の軌道に重なってきても、十分に２次電子を分離検出できる装置を提供することを目的とする。【構成】荷電粒子線源と、加速電圧と、対物レンズと、偏向走査系と、リターディング電圧と、細く絞った荷電粒子をサンプルに照射しつつ平面走査したときに放出された２次荷電粒子を、検出する中心に荷電粒子を通過する穴を設け、かつその外周部に２次荷電粒子を検出する検出面を設け、荷電粒子源と対物レンズとの間に配置した検出装置とを備え、サンプルから放出された２次荷電粒子を、リターディング電圧で加速して検出装置の穴の外周部に設けた検出面で検出するようにしている。【選択図】        図２
2016051593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルに照射する荷電粒子をリターディング電圧により減速して当該サンプルに照射しつつ走査してそのときに放出された２次荷電粒子を検出する、リターディング電圧を用いた荷電粒子線装置において、
荷電粒子を発生させる荷電粒子線源と、
前記荷電粒子線源で発生された荷電粒子を、加速する加速電圧と、
前記加速電圧で加速された荷電粒子を、細く絞って前記サンプル面に照射する対物レンズと、
前記対物レンズで前記サンプル面に細く絞って照射される荷電粒子を、当該サンプル面上で平面走査させる偏向走査系と、
前記加速電圧で加速されて細く絞られた荷電粒子を減速する、前記サンプルあるいは該サンプルの荷電粒子の照射側に設けたリターディング電極に印加するリターディング電圧と、
前記細く絞った荷電粒子を前記サンプルに照射しつつ平面走査したときに放出された２次荷電粒子を、検出する中心に前記荷電粒子を通過する穴を設け、かつその外周部に２次荷電粒子を検出する検出面を設け、前記荷電粒子源と前記対物レンズとの間に配置した検出装置とを備え、
前記サンプルから放出された２次荷電粒子を、前記リターディング電圧で加速して前記検出装置の穴の外周部に設けた検出面で検出することを特徴とするリターディング電圧を用いた荷電粒子線装置。
【請求項２】
前記リターディング電圧を可変としたことを特徴とする請求項１記載のリターディング電圧を用いた荷電粒子線装置。
【請求項３】
前記検出装置の前記サンプル側にメッシュ電極を設け、該メッシュ電極に前記２次荷電粒子を加速する電圧を印加し、加速した２次荷電粒子を前記検出装置に入射させることを特徴とする請求項１あるいは請求項記載のリターディング電圧を用いた荷電粒子線装置。
【請求項４】
前記検出装置を、前記対物レンズと荷電粒子線源との間、あるいは前記対物レンズの内部に設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のリターディング電圧を用いた荷電粒子線装置。
【請求項５】
前記対物レンズを、磁界型対物レンズとしたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のリターディング電圧を用いた荷電粒子線装置。
【請求項６】
前記検出装置と前記対物レンズのサンプル側の先端との間の領域を高真空領域とし、該サンプルの存在する領域を低真空領域としたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のリターディング電圧を用いた荷電粒子線装置。
【請求項７】
前記検出装置を、中心に前記荷電粒子が通過する穴を設け、その外側にリング状の検出面を設けたことを特徴とするリターディング電圧を用いた荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項７のリング状の検出面を、半径方向に複数に分割したことを特徴とするリターディング電圧を用いた荷電粒子線装置。
【請求項９】
前記検出装置を、２次荷電粒子を高速検出する素子としたことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載のリターディング電圧を用いた荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サンプルに照射する荷電粒子をリターディング電圧により減速して当該サンプルに照射しつつ走査してそのときに放出された２次荷電粒子を検出する、リターディング電圧を用いた荷電粒子線装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスは毎年微細化が進み、最近では１０ｎｍを切るフィーチャーサイズを持つデバイスが研究されている。
【０００３】
従来，平面上に作られてきたトランジスタはＦＩＮトランジスタに見るように３次元化が進んでいる。リソグラフィー技術においても、従来の光露光技術に代わって３次元構造をもったテンプレートと呼ばれる石英で出来た印刷原版を用いるナノインプリント技術が現れる等、それらを正確に製造するためにナノサイズの３次元計測に対する要求が高まってきている。
【０００４】
従来から低ランディングエネルギーでありながらも、高分解能が得られる電子顕微鏡の動作原理として、リターディング法が知られている。特に半導体ウエハー上にトランジスタ等の能動デバイスが形成されているサンプルの観察において、非破壊で高分解能観察可能、レジストシュリンクの回避が実現できるので半導体ウエハー用ＣＤＳＥＭに広く利用されている。電子ビームエネルギーが高いとナノレベルの構造物は透過してしまい、コントラストが小さくなり高ＳＮＲ画像が得られないが、低ランディングエネルギーにすると透過能が小さくなるため、小さな構造を反映する高いコントラストが形成される。ナノ構造の測定には、低ランディングエネルギーは必須である。
【０００５】
リターディング法は２段階からなっている。
【０００６】
第１ステップ：１次電子ビームのエネルギーを５から３０ＫＶ程度にした状態で対物レンズを通過させる。これにより、対物レンズの収差の影響が小さくなる。
【０００７】
第２ステップ：対物レンズ通過後に、加速電圧に匹敵する大きな負の電圧をサンプルに加えることによって電子ビームエネルギーを急激に減速する。これにより、ランディングエネルギーを１ＫＶ以下に下げる。
【０００８】
リターディング法を用いると対物レンズの収差の影響を避けられるので、最初から１ＫＶ以下の低いエネルギーの電子ビームをサンプルに照射した場合と比較して、３倍以上小さく電子ビームスポットサイズを絞ることが可能で、高分解能を実現できる。また、電子の透過力も小さくなるため、微細加工されたデバイスを観察するには都合が良い。
【０００９】
リターディング法は、非常に有効な電子照射方法であるが、画像形成に必要な電子ビーム照射に伴って生じる信号電子を高効率検出するためには、かなり不都合な方法であることが知られている。
【００１０】
走査型電子顕微鏡では、照射電子によって大凡２種類の信号電子が生じる。１つは数エレクトロンボルトのエネルギーを持った２次電子と呼ばれる電子であり、もう１つは照射電子とほぼ同じエネルギーをもった反射電子と呼ばれる電子である。一般に、２次電子は発生効率が良いことと、サンプル表面の幾何形状を決定するエッジに強い感度を示すので、表面パターン観察に用いられる半導体用電子顕微鏡では２次電子を効率よく検出することがより重要とされている。
【００１１】
リターディング法を用いると、発生した２次電子はリターディング電圧によって急激に加速され、ほぼ１次電子ビームのエネルギーに近いエネルギーでサンプル表面に対して垂直方向に飛び出していく。電子ビームコラム内では、同じエネルギーを持つ電子ビームは同じ軌道を描く性質があり、同じようなエネルギーをもった１次電子と２次電子は同じ軌道上をお互いに逆向きに進むことになる。つまり、２つの電子は混ざってしまい上手く検出できない。特に、１０ｎｍ以下の構造を観察するためには、分解能を上げるために１次電子のエネルギーが出来るだけ大きい方が有利なので、低エネルギーでサンプルに照射しようとすると、どうしてもリターディング電圧は高くなる。これによりますます２次電子軌道はコラム中央に集まり、１次電子軌道に重なってくる。
【００１２】
走査型電子顕微鏡では、対物アパチャーと呼ばれる数十から数百ミクロンの小さな穴が、仮想点光源に成っており、そこから１次電子ビームが出てくる。仮に、そこに向かって２次電子が集まってしまうと、２次電子を検出するためには、その軸上に電子検出器を配置する必要があるが、１次電子の軌道上に検出器を置くと当然ながら１次電子が照射出来ないので、別の位置に配置することが必要である。その結果、そうすると当然ながら２次電子はほとんど検出できなくなる。
【００１３】
より具体的に説明すると次のようになる。
【００１４】
半導体で使用する高分解能走査型電子顕微鏡は数ミクロンから数十ミクロンの視野で利用される場合が多い。視野数十ミクロンの画像を取得するためには、数十ミクロンの範囲を電子ビームで２次元的に走査する。２次電子発生時の運動エネルギーは高々数ｅＶなので、例えば普通に１０ＫＶのリターディング電圧をサンプルに加えると、発生した２次電子の横方向運動エネルギーは数ｅＶのままで、サンプルに垂直方向には１０ＫＶの運動エネルギーを持つので、サンプルに垂直方向に１０ｃｍ上昇する間に、大凡横方向に１０００ミクロン広がる。リターディング電圧が高ければ、広がりが小さくなり、リターディング電圧が低ければ大きく広がる。
【００１５】
リターディング電圧が１０ＫＶで、電子検出器に開けられたアパチャーの大きさが１０００ミクロンよりも大きい場合、殆ど全ての２次電子は、アパチャーを通過して、上に行くのでまったく検出できない。このように大きなキターディング電圧を加えると２次電子軌道がコラム中心に集まるため検出効率が著しく小さくなり実用的でない。
【００１６】
そこで、初期のリターディング型の電子顕微鏡では、例えば、等電位線がサンプル直上で傾斜するようにバイアス電圧をサンプルに加えることで、２次電子が加速される前に２次電子の軌道を曲げて、１次電子の軌道と２次電子の軌道が異なるようにして、そこに電子検出器を配置することが考えられた。現在は照射電子と２次電子の進行方向が異なることを利用した、ＥＸＢと呼ばれる方向性エネルギーフィルターを付けることによって、混ざった１次電子と２次電子を分離し、１次電子に影響を与えないように２次電子を横に引き出してシンチレーター検出する方式が採用されている。
【００１７】
このＥＸＢフィルターは特定エネルギーを持つ電子ビームは直進させ、そうでない電子ビームは横に曲げる作用をもっている。
【００１８】
１次電子がエネルギー分散を持たなければ、ＥＸＢフィルターを素通りするエネルギーを１次電子のエネルギーに設定しておけば、１次電子は素通りするだけで何も問題ないが、実際の１次電子は１ｅＶ程度のエネルギー分散を持つため、ＥＸＢを通過すると、１次電子が分光されて軌道が曲げられ、複数の軌道を持つ電子ビームに変化してしまう。その結果、入射角度の異なる複数の電子ビームが対物レンズに入射することになる。それらビームを対物レンズで絞ると焦点がわずかにずれた電子ビームの重ね合わせになるため、照射電子ビームスポットサイズが大きくなってしまう副作用が生じる。以上の様にＥＸＢフィルターは本来細く電子ビームを絞って分解能を上げるための方法であったリターディング法の目的に対して厳しい分解能向上限界を与えているので必ずしも最適解ではない。これは、１０ｎｍオーダーの構造物を観察するためには致命的な欠陥である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
上述したように、ＥＸＢフィルターを用いる方法は、本来細く電子ビームを絞って分解能を上げるための方法であったリターディング法に対して分解能向上限界を与えているので必ずしも最適解ではないという問題があった。更に、この方法は、１０ｎｍオーダーの構造物を観察するためには致命的な欠陥であるという問題もあった。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、ＥＸＢフィルターを利用しないでも、２次電子を高効率で分離検出できる方式を開示する。
【００２１】
また、サンプルの種類によって最適なランディングエネルギーは変わるため、リターディング電圧はそれに合わせて変化させる必要があり、必ずしもリターディング電圧は一定ではない。本発明は、サンプルに加えるリターディング電圧が変化すると２次電子のエネルギーが変化し、２次電子の検出効率が大きく変化する欠点を取り除く方法も提供する。これにより、リターディング電圧に無関係に一定の電子増倍率に出来る方式を提供する。
【００２２】
そのため、本発明は、サンプルに照射する荷電粒子をリターディング電圧により減速してサンプルに照射しつつ走査してそのときに放出された２次荷電粒子を検出する、リターディング電圧を用いた荷電粒子線装置において、荷電粒子を発生させる荷電粒子線源と、
荷電粒子線源で発生された荷電粒子を加速する加速電圧と、加速電圧で加速された荷電粒子を細く絞ってサンプル面に照射する対物レンズと、対物レンズでサンプル面に細く絞って照射される荷電粒子をサンプル面上で平面走査させる偏向走査系と、加速電圧で加速されて細く絞られた荷電粒子を減速するサンプルあるいはサンプルの荷電粒子の照射側に設けたリターディング電極に印加するリターディング電圧と、細く絞った荷電粒子をサンプルに照射しつつ平面走査したときに放出された２次荷電粒子を検出する中心に荷電粒子を通過する穴を設け、かつその外周部に２次荷電粒子を検出する検出面を設け、荷電粒子源と対物レンズとの間に配置した検出装置とを備え、サンプルから放出された２次荷電粒子をリターディング電圧で加速して検出装置の穴の外周部に設けた検出面で検出するようにしている。
【００２３】
この際、リターディング電圧を可変とするようにている。
【００２４】
また、検出装置のサンプル側にメッシュ電極を設け、メッシュ電極に２次荷電粒子のエネルギーを一定にするための電圧を印加し、予め決められたエネルギーの２次荷電粒子を検出装置に入射させるようにしている。
【００２５】
また、検出装置を、対物レンズと荷電粒子線源との間、あるいは対物レンズの内部に設けるようにしている。
【００２６】
また、対物レンズを、磁界型対物レンズとするようにしている。
【００２７】
また、検出装置と対物レンズのサンプル側の先端との間の領域を高真空領域とし、サンプルの存在する領域を低真空領域とするようにしている。
【００２８】
また、検出装置を、中心に荷電粒子が通過する穴を設け、その外側にリング状の検出面を設けるようにしている。
【００２９】
また、リング状の検出面を、半径方向に複数に分割するようにしている。
【００３０】
また、検出装置を、２次荷電粒子を高速検出する素子とするようにしている。
【発明の効果】
【００３１】
（１）本発明は、従来の様に混ざってしまった１次電子と２次電子からむりやりＥＢＸフィルターを使用して２次電子を横に曲げて分離検出する電子ビーム装置とは異なり、発生した２次電子が１次電子とは僅かに異なった軌道を通過して狭い領域に集中する性質をそのまま利用して、意図的にその場所に電子検出装置を配置することで電子を検出するため、ＥＢＸフィルター等が不要となり、１次電子に悪影響を及ぼさない。更に、検出すべき２次電子は小さな領域に集中するため、応答速度が高い小さな半導体検出器を使うこと可能で、２次電子をＧＨｚオーダーで超高速検出が出来る効果がある。
【００３２】
（２）また、検出器に入射する電子のエネルギーはメッシュと検出器の間に掛けられた電圧によってあらかじめ決められた一定の運動エネルギーになるため、検出器における電子増倍率がリターディング電圧の大小に関わらず一定に出来るという効果がある。低いリターディング電圧でも高い電子増倍率を実現できる。
【００３３】
（３）また、分割された複数の独立した電子検出器を置くことにより、エッジ強調された信号や、３Ｄ情報を得ることが可能となる。
【００３４】
（４）また、同様のことは、中間加速法を用いた電子ビームコラムの場合にも適用可能であり、効率よくかつ、高速に信号電子を検出できるようになる。それぞれの電子検出器にて分離検出された信号を利用することで従来の欠陥検査装置では検出不可能であった、立体的な不具合も超高速に検出できるようになる。特に、対物レンズ先端部に電子検出装置を配置した場合には、視差情報がより完全に保存されるため、正確な３次元の情報を得ることが出来る。
【００３５】
（５）減速電極に差動排気アパチャーを設けることにより、高電圧が掛かる部分の放電耐圧を高められるので、サンプルが低真空状態にあってもリターディング方式を採用することが出来る。
【００３６】
（６）構成がシンプルで、信号電子検出部およびコラム全体が小型化出来るのでコストダウンできる。従来のＥＢＸフィルターおよびその調整が不要なので、装置の製造およびメンテナンス容易かつコスト削減に寄与する。コラムの高さを低くすることが可能であり、振動にも強くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明は、荷電粒子線源と、荷電粒子を加速する加速電圧と、加速された荷電粒子を細く絞ってサンプル面に照射する対物レンズと、偏向走査系と、加速電圧で加速されて細く絞られた荷電粒子を減速するサンプルあるいはサンプルの荷電粒子の照射側に設けたリターディング電極に印加するリターディング電圧と、細く絞った荷電粒子をサンプルに照射しつつ平面走査したときに放出された２次荷電粒子を検出する中心に荷電粒子を通過する穴を設け、かつその外周部に２次荷電粒子を検出する検出面を設け、荷電粒子源と対物レンズとの間に配置した検出装置とを設けることにより、サンプルから放出された２次荷電粒子をリターディング電圧で加速して検出装置の穴の外周部に設けた検出面で検出することを実現した。
【実施例１】
【００３８】
図１は、本発明の１実施例構造図を示す。図１は全体構造図を示し、荷電粒子線のうち負の電荷をもつ電子の場合の１実施例構造を示す。正の電荷をもつイオンの場合も正の電荷に対応した同様の構造を有するものである。以下、負の電荷をもつ電子の場合を例に詳細に説明する。
【００３９】
図１において、電子銃１は、電子を発生させるものであって、例えば図２に示すように先端の尖ったエミッター（加熱してもよい）に引出電圧を印加して電子を引出し、これを加速電圧で加速して電子（１次電子２）を放出する公知のものである。
【００４０】
１次電子２は、電子銃１から放出された１次電子である。エネルギーは必要によって数ＫＶから数１０ＫＶを利用する。
【００４１】
ブランキング装置３は、電子銃１から放出された１次電子を、通過させたり、遮断させたりするものであって、平行平板に電圧を印加して１次電子を偏向してブランキングアパチャー４の穴の外に照射して実質的に当該１次電子を遮断する公知のものである。
【００４２】
ブランキングアパチャー４は、軸上に小さな穴を設けたものであって、ブランキング装置３によって１次電子を偏向したときに遮断する公知のものである。
【００４３】
コンデンサレンズ５は、１次電子を集束させて電流量を調整するものである。
【００４４】
電子検出装置支持部６は、後述する電子検出器７を支持するものである。
【００４５】
電子検出器７は、電子検出装置支持部６によって支持されるものであって、中心に１次電子２を通過する穴を有し、かつその周辺に２次電子８を検出する検出面を有するものである。
【００４６】
２次電子８は、サンプル１２から放出された２次電子であって、リターディング電圧３３で加速されたものであり、電子検出器７の穴の外周に設けたリング状の検出面に衝突して、検出されるものである（詳細は図２の説明で説明する）。
【００４７】
偏向装置９は、１次電子２を偏向し、サンプル１２の上に対物レンズ１０により細く絞られた１次電子を、平面走査する公知のものである。
【００４８】
対物レンズ１０は、１次電子２を細く絞ってサンプル１２の面上に照射するものである。
【００４９】
真空チャンバー１１は、サンプル１２などを真空中に保持する空間であって、図示外の真空排気系により真空排気される公知のものである。
【００５０】
サンプル１２は、１次電子を細く絞って照射しつつ平面走査し、放出された２次電子を検出し、２次電子画像を生成する対象のサンプル、例えばフォトマスク、シリコンウェハ、ＧａＡｓウェハー、ナノインプリント用テンプレート、プラスチックシートなどである。
【００５１】
ＸＹステージ１３は、サンプル１２をＸ方向およびＹ方向に精密に移動させるものであって、図示外のレーザー干渉計によりリアルタイムに精密に位置を測長しつつ移動させる公知のものである。
【００５２】
全体制御装置（ＰＣ）２１は、全体を制御する制御装置であって、例えばＰＣ（パソコン）である。
【００５３】
高圧制御装置２２は、電子銃１に印加する電圧（引出電圧３１、加速電圧３２）、リターディング電圧３３などを発生して供給したり、電圧を制御したりなどするものである。
【００５４】
ブランキング制御装置２３は、ブランキング装置３に高電圧を印加したり、遮断したりし、１次電子をブランキングアパチャー４で遮断させたり、通過させたりするものである。
【００５５】
電子ビーム走査制御装置２４は、偏向装置９に所定の偏向電流あるいは偏向電圧を印加し、細く絞られた１次電子ビームをサンプル１２上で平面走査したりなどするものである。
【００５６】
対物レンズ制御装置２５は、対物レンズ１０（更に、図示外のダイナミックフォーカスコイル）に所定の電流（あるいは電圧）を供給し、１次電子を細く絞ってサンプル１２上に照射するものである、
真空制御装置２６は、電子銃１、鏡筒、真空チャンバー１１などを図示外の真空排気系を制御して所望の真空度になるよう排気などするものである。
【００５７】
ステージ制御装置２７は、サンプル１２を搭載したＸＹステージ１３を、図示外のレーザー干渉計でリアルタイムに測長しつつ精密に移動制御するものである。
【００５８】
画像処理装置２８は、電子検出装置７で検出された２次電子の信号を処理して画像を生成、例えば偏向装置９に供給される偏向信号（偏向電圧、偏向電流）、ブランキング信号に同期して画像をディスプレイ上に表示させたりなどの各種画像処理を行うものである。
【００５９】
画像表示装置２９は、画像を表示する装置であって、例えば液晶ディスプレイである。
【００６０】
リターディング装置３０は、１次電子を減速するリターディング電圧を印加したり、可変したりするものである。
【００６１】
次に、図２を用いた図１の構造の要部を詳細に説明する。
【００６２】
図２は、本発明の１実施例構造図（その２）を示す。図２は、主要部分に加える電圧を示したものである。図２の（ａ）は全体構造図を示し、図２の（ｂ）は電子検出装置７の詳細を模式的に示す。
【００６３】
図２の（ａ）において、エミッタ―１４は、図１の電子銃１を構成するエミッタ―である。
【００６４】
引出電圧３１は、エミッタ―１４から電子を引き出すために印加する電圧であって、例えば３ＫＶ（エミッター１４の種類、形状に対応して変化する）である。
【００６５】
加速電圧３２は、エミッタ―から真空に飛び出した１次電子２を所望のエネルギーに加速する電圧であって、電子銃１の構造やサンプル１２に入射する１次電子の電圧（エネルギー）によって任意に可変するものであり、本例では例えば１０ＫＶである。この場合のサンプル１２に入射する１次電子の電圧（エネルギー）は、加速電圧（１２ＫＶ）とリターディング電圧（−１０ＫＶ）との差分の電圧（２ＫＶ）である。
【００６６】
リターディング電圧３３は、加速された１次電子２の電圧（エネルギー）を減速する電圧であって、本例では例えばー１０ＫＶであり、必要に応じて任意に変化させるものである。
【００６７】
図２の（ｂ）は、電子検出装置７を拡大した模式図を示す。
【００６８】
図２の（ｂ）において、開口１６は、円盤状の電子検出器の中心に穴を開けたものであって、図２の（ａ）の電子検出装置７の詳細模式図を示す。開口１６の外側の部分は、２次電子の検出面である（詳細は下記の（６）などを参照）。
【００６９】
次に、図２および図１の構造の動作を詳細に説明する。
【００７０】
（１）電子銃１を構成するエミッタ―１４から放出された１次電子２は、ブランキング装置３を通過する。ブランキング装置３は偏向器とブランキングアパチャー４からなる。１次電子２をサンプル１２に照射する時は、１次電子２は真っ直ぐに進行し、照射しないときは曲げられる。偏向装置の次には小さなブランキングアパチャー４があり、１次電子２は曲げられるとそのアパチャー４を通過できないため、偏向装置に加える信号によって１次電子２をオフすることが出来る。
【００７１】
（２）ブランキングアパチャー４を通過した１次電子２は必要に応じてコンデンサレンズ５にて例えば図示のような平行な１次電子２に変換される。平行な１次電子２は加速電圧３１によって必要なエネルギーに加速されている。
【００７２】
（３）電子検出装置７は直径０．数ｍｍないし十数ｍｍのダイオードの中心に数ミクロンから数百ミクロン程度の穴（開口１６）を開けたもので構成されている。穴（開口１６）はダイオードに直接開けるのが望ましいが、開口部とダイオードとの間に隙間が生じないように設計した板と個別のダイオードを用いても良い。その周辺部を支持部（電子検出器支持部６）で支持している。２次電子８が入射する下面にフォトダイオードの増幅面が来るように配置する。裏面は１次電子２が当たらないように遮蔽する。
【００７３】
（４）穴（開口１６）を通過した１次電子２は偏向装置９により角度を持った１次電子２に変換される。色々な角度に偏向装置９で振られた１次電子２は対物レンズ１０に入射し、サンプル１２の表面で所望のスポットサイズになるように絞られ、サンプル表面を走査する。
【００７４】
（５）絞られた１次電子２はサンプル１２に衝突する直前にリターディング電圧３３によって減速され、サンプル１２に低エネルギーで衝突して大量の２次電子８を発生する。
【００７５】
（６）発生した２次電子８は、サンプル１２（あるいはサンプル１２の直前の減速電極）と電子検出装置７との間に加えられたリターディング電圧３３によって、照射方向とは逆方向に加速されて電子検出装置に向けて進み衝突し、電子散乱によって増幅が生じる。
【００７６】
詳述すれば、通常、サンプル１２に１次電子を照射して反射した反射電子（初速度は、入射した１次電子とほぼ同一の速度（電圧、例えば２ＫＶ）））は照射した方向と逆の経路を進み、電子検出装置７の中心の穴（開口１６）を通過する（ただし、対物レンズ１０が磁界型対物レンズのときは進行方向に対する直角方向の１次電子のスピンの回転方向が逆）。一方、本発明では、サンプル１２に１次電子を照射して放出された２次電子８は、初速度が０ないし数ｅＶであり、この小さなエネルギーを持つ２次電子８がリターディング電圧３３で加速されかつ対物レンズ１０の磁界の影響を受けつつ電子検出装置７に向けて進むが、エネルギーが小さい（反射電子の例えば２ＫＶに対して２次電子の０から数ｅＶと小さい）のため、電子検出装置７の中心の穴（開口１６）の外側に印加されたリターディング電圧３３（例えば１０ＫＶ）により吸引され、当該電子検出装置７の中心の穴（開口１６）の外側のリング状の部分に衝突し、検出・増幅されることとなる。
【００７７】
尚、２次電子８が効率的に電子検出装置７の外側のリング状の検出面に衝突するように、リターディング電圧３３（リターディング電圧３３を可変するとサンプル１２を照射する１次電子２のエネルギーも変化するので対物レンズ１０で細く絞れる状態に再調整を行う必要がある）を実験により求めて最適な値に設定すればよい。
【００７８】
（７）電子検出装置７は半導体フォトダイオード等のｐｎ接合を有するデバイスで出来ており、１０kＶのエネルギーで衝突した場合、１回の散乱には約３ｅＶ必要なので、約３０００倍程度の増幅作用が生じ、高ＳＮＲの信号が検出できる。この散乱に必要なエネルギーをサンプルと電子検出器の間に加えた電界によって２次電子に与えるのが本発明の主たる目的である。上記電子エネルギーが高いとシリコンへの侵入深さが深くなるため、それに合わせて、電子散乱が起こるシリコン部分の厚みを設定することが望ましい。
【００７９】
また、リターディング電圧３３がサンプル１２と電子検出装置７との間にのみに印加されているので、サンプル１２の表面から電子検出装置７の間には、電位の勾配が生じており、一種のレンズ効果が生じて２次電子８は、一直線に電子検出装置７の電圧の印加されている外周の部分に向かって加速され入射する。そのため外周の部分の２次電子検出用のダイオードは、１平方ミリメートルよりも小さなサイズでも十分に２次電子８を検出できる。更に、ダイオードの開口部を２次電子が突き抜けて行かないように、ダイオードの開口部に２次電子を追い返すための電位を加えてもよい。そのために、金属のポール状のものをダイオードの穴の部分に設けてもよい。本実施例ではドーナッツ形状の電子検出装置７であるが、小さな電子検出装置７を複数並べても良いし他の形状でも良い。円形の形状以外の場合には、アバランシェフォトダイオードに加わる電圧に不均一性を生じる可能性があるので、それを防ぐように周辺に電極を設けて均一化する。
【００８０】
電子検出装置７の面積は１平方ミリメートル以下の非常に小さな面積で十分なため、光通信で使われるＧＨｚ以上の応答速度を持つ最新の半導体フォトダイオードを利用できる。従来のように応答速度の遅い、大きなサイズの検出器を用いる必要がない。電子検出装置７としては、ＰＩＮフォトダイオードあるいはアバランシェフォトダイオードが現在利用可能である。アバランシェフォトダイオードの場合は、電子衝突による電子増倍効果に加えて１００倍程度のアバランシェ効果を引き出すために必要な１００から５００Ｖ程度の逆バイアス電圧を別途加えて用いる。
【００８１】
フォトダイオードは電気抵抗の小さな半導体素子であるため出力電流がｍＡ以上出力することが可能である。大きな出力ダイナミックレンジを持つため、後段の電流電圧変換高速アンプが発生するノイズに打ち勝つ歪の無い、ＳＮＲ１０以上の画像信号が取得できる。その結果、従来では不可能であった電子銃を１個しか内臓しない、シングルポイントビーム装置でありながら、サンプル１２を１日で全面検査できる速度を備えた超高速電子ビーム検査装置を実現できる。
【００８２】
（８）また、電子ビーム形状を成形するためのビーム形成アパチャー（電子検出装置７の中心部分の穴（開口１６））は汚染を避けるために、超高真空状態の場所に配置し、かつ、１００度程度に加熱して使用することが望ましい。この場合は、アパチャー（開口１６）とダイオードの間には熱的絶縁体を設け、ダイオードが直接加熱されるのを防止して、ダイオードの温度が上昇しないようにするのが望ましい。
【００８３】
図３は、本発明に係るアバランシェダイオードの構造と増倍率の例を示す。
【００８４】
図３の（ａ）は、アバランシェダイオードの説明用の断面模式図を示す。図示のように、アバランシェダイードに逆バイアス電圧を印加した状態で、図示のアバランシェ層に、加速した電子を照射すると電子のなだれ現象が発生して極めて大きな増幅が成されることとなる（公知技術）。
【００８５】
図３の（ｂ）は、電子エネルギー（ＫｅＶ）と増倍率の関係曲線例を示す。横軸は入射する電子のエネルギー（ＫｅＶ）を表し、縦軸はそのときの電子の増倍率を表す。図３の（ｂ）から、電子の入射エネルギー（ＫｅＶ）が増大すると電子の増倍率が増大する傾向にあることが判明する。
【００８６】
図３の（ｃ）は、逆電圧（Ｖ）と増倍率の関係曲線例を示す。横軸はアバランシェダイオードに印加する逆電圧（Ｖ）を表し、縦軸はそのときの電子の増倍率を表す。図３の（ｃ）から、アバランシェダイオードに印加する逆電圧Ｖが一定範囲で増大すると電子の増倍率も増大する傾向にあることが判明する。
【００８７】
アバランシェダイオードに入射する電子の全体の増倍率は、図３の（ｂ）の増倍率と、図３の（ｃ）の増大率との乗算とからなる（後述する）。
【００８８】
図４は、本発明の１実施例構造図（その３）を示す。図４は、サンプル１２から放出された加速された２次電子８が加速されて電子検出装置７に入射される軌道の間にメッシュ電極１７を設けた例を示す。また、電子検出装置７を４分割した例を示す。
【００８９】
図４の（ａ）において、メッシュ電極１７は、サンプル１２で発生した２次電子をリターディング電圧３３で加速した２次電子８について、一定のエネルギーにするための電圧を印加、即ち、リターディング電圧２２を可変しても一定のエネルギーにするための電極である。メッシュは２次電子が通過するため、出来るだけ大きな開口率（９０％以上）を有するメッシュを利用する。メッシュは細い針金から作ることも、エッチング加工によって金属箔から作ることもできる。材質は銅、チタン、Ｍｏ等の非磁性材料が望ましい。メッシュ表面にＭｇＯなど高次電子放出材料を設けることによって、メッシュに衝突した２次電子が更に２次電子を出して、衝突による損失を防止することができる。
【００９０】
通常、メッシュ電極１７と電子検出装置７の間に、電子検出装置７の増幅率を一定にするための加速電圧、例えば１０ｋVの電圧を加えておくと、当該電子検出器７を構成するダイオードの増幅率は常に３０００倍程度になる（図３参照）。
【００９１】
メッシュ電極がないと、リターディング電圧３３を変えるたびに電子検出装置７に入射する２次電子８の電子エネルギーが変化するため電子増幅率が異なってしまい不便であるが、メッシュ電極１７を配置して電子検出装置７に入射する電子のエネルギーが一定になるようにすると、リターディング電圧３３が変化しても、常に一定の電子増幅率を得ることが可能となり、ゲイン調整が不要で非常に便利である。
【００９２】
以上のように本発明を用いると、リターディング電圧と電子増倍器の増幅率は独立に制御可能である。メッシュを用いるとリターディング電圧が小さくても、メッシュと電子検出装置間に大きな電位差を加えることで大きな電子増倍率を得ることができるので、低真空時のようにリターディング電圧が数ＫＶしかかけられない場合でも、超高真空状態にあるメッシュと電子検出装置間に数１０ＫＶを加えることにより、３０００倍以上の増幅率を得ることができる。
【００９３】
図４の（ｂ）は、電子検出装置７の１実施例構造図の例を示す。本図では、４分割して、ＡＤＰ１，ＡＤＰ２，ＡＤＰ３，ＡＤＰ４に分割してそれぞれの電子検出装置（例えば図３のアバランシェダイオード）でそれぞれ検出・増幅している。厳密にはそれぞれのダイオードの増幅率は一定ではないので、それぞれの検出器の増幅率を電気的あるいはソフトウェア的に微調整する手段を持つ。
【００９４】
図５は、本発明の１実施例構造図（その４）を示す。図５は、対物レンズ１０のレンズ中心（あるいは近傍）に配置した偏向装置により図５の（ｂ）のように偏向してサンプル１２面上を大きく偏向して大面積を平面走査する例を示す。
【００９５】
図５の（ａ）は、偏向装置９は、上段、中段、下段の３段を設けた例を示す。他は図２、図４の同一符号のものと同一であるので説明を省略する。
【００９６】
図５の（ａ）において、偏向装置９の下段は、対物レンズ１０のレンズ中心（またはその近傍）に設けた１段の偏向装置であって、１段で偏向してサンプル１２面上の大面積を平面走査できるようにしたものである。尚、偏向装置９の下段のみで、サンプル１２面上を所望の範囲で走査することができる場合には、偏向装置９の上段、中段はなくてもよい。
【００９７】
次に、図５の（ａ）の特徴を説明する。
【００９８】
（１）高速検査装置では、サンプル１２面上の１次電子２による走査幅を出来るだけ大きくして一度に大きな画面を走査してそのときに発生した２次電子を取得した方がステージを繰り返し移動する必要がないので、大きなスループットを実現できる。
【００９９】
（２）そのため、図５の（ａ）では、１次電子２を対物レンズ１０のレンズ中心（あるいはその近傍あるいは下方）に配置した偏向装置（下段）９によって大振幅の走査を行うようにしている。本方式では１次電子２は対物レンズ１０の中心部を通過した後に偏向されるため、収差が大きくなるレンズ周辺部を１次電子２が通過しない。そのため、サンプル１２上で１次電子８を１００ミクロン程度の大振幅走査を行った場合でも、非常に小さなひずみの画像を得ることが出来る。偏向装置（下段）９は静電偏向装置が望ましく、その場合には非磁性の導電性材料を電極に使用する。走査速度がゆっくりでも良い場合は、偏向装置９にコイル（磁心なし）を用いても良い。
【０１００】
図５の（ｂ）は、対物レンズ１０の主面（中心部）に偏向装置（下段）９を配置した様子を模式的に示す。主面から１次電子２が大きく偏向されるため、サンプル１２上で大面積の走査を行うことができる。
【０１０１】
図６は、本発明の１実施例構造図（その５）を示す。図６は、１次電子２を対物レンズ１０の通過時だけ加速して、対物レンズ１０の通過直後に減速するためのブースティング電極３６を設けた例を示す。
【０１０２】
図６において、ブースティング電極３６は、１次電子２を対物レンズ１０の通過時だけ加速して、対物レンズ１０の通過直後に減速するためのブースティング電圧３５を印加するための電極である。他の構成は、図２、図４、図５の同一番号と同一構成であるので説明を省略する。
【０１０３】
図６において、ブースティング電極３６は、対物レンズ１０の直前に設けた電極であって、ブースティング電圧３５を印加することにより、当該対物レンズ１０の通過時に１次電子２を加速して通過後にリターディング電圧３３（図示ではサンプル１２に印加、他にサンプル１２と対物レンズ１０との間に設けた電極に印加）で減速するためのものである。
【０１０４】
（１）本構造は、測定対象のサンプル１２が導電性を持たない場合にも、小さい１次電子２のビームスポット径を小さく絞り込み、かつ、低エネルギーの１次電子２のビームの照射が可能であるので、汎用の走査型電子顕微鏡に広く利用できる。
【０１０５】
（２）対物レンズ１０の内側には、対物レンズ１０に入射する１次電子２を加速するためのブースティング電極３６が設けられ、プラスの電圧（例えば加速電圧から見て４ＫＶ）が加えられており、１次電子２はその分だけ余計に加速することが出来る。また、対物レンズ１０のポールピース先端には対物レンズ１０を高速で通過した１次電子２のエネルギーを減速するための電界を発生させるための電極が周辺から絶縁されて設けられている。この電極には、１次電子のエネルギーよりもわずかに小さな負の電圧が加えられている。加速電圧とこの電圧の和がサンプルに照射される１次電子２のエネルギーになる。
【０１０６】
（３）簡単に動作を説明すると、電子銃１のエミッター１４から放出された１次電子２は、加速電圧３２で加速され、更に対物レンズ１０の直前でブースティング電圧３５で加速され、対物レンズ１０に入射する。対物レンズ１０を通過して収束され、減速電極の電界（あるいはサンプル１２に直接に印加されたリターディング電圧３３）で急激に減速される。ブースター電圧３５やリターディング電圧３３は、サンプル１２によって最適値が異なるので、最適値になるように実験により求めてそれに合わせる。
【０１０７】
（４）低エネルギーとなった１次電子２はサンプル１２の表面に衝突し、２次電子８を発生させる。発生した２次電子８はブースティング電圧３５によって、対物レンズ１０の内部に勢いよく引き込まれ、メッシュ電極１７、電子検出装置７に加えられた電圧によって最終加速されて電子検出装置７を構成する検出面に衝突する。この際、メッシュ電極１７にメッシュ電圧３４を印加し、ブースティング電圧３５やリターディング電圧３３が変化しても常に２次電子８が一定のエネルギーで電子検出装置に入射するようにエネルギーを制御することにより、一定の２次電子増幅率が得られ安定した観察あるいは検査が実現できる。
【０１０８】
尚、本発明に係る電子検出装置７は下記のように作成、構成する。
【０１０９】
（１）本発明の電子検出装置７の中心の穴の部分には、アパンチャー７１を配置する。本アパチャー７１の表面は１次電子２の照射によってチャージアップしないように導電性の材料あるいは導電性表面処理を施したり、更に、グラファイト（炭素）のようにチャージアップしにくい材料で作成したり、更に、電子検出素子そのもの、あるいは電子検出素子に薄板を張り合わせたしたものである。その薄板に直径が数ミクロンから数ミリメートルの穴を開けたものである。穴の部分には２次電子を追い返して通過させないようにするために、マイクロマシニング等で電子検出装置から電気的に絶縁された小さなパイプ、あるいはメッシュを作り、それに２次電子が持つエネルギー以上の電圧を加えるようにしてもよい。
【０１１０】
（２）電子検出装置７を構成する電子検出器として、アバランシェフォトダイオードを用いれば、高速電子衝突による１０００倍程度の増倍作用に加えて、アバランシェ効果によりさらに３０倍から１００倍程度の倍増効果が得られる（図３参照）。アバランシェフォトダイオードは１つのデバイスで２つの電子増倍機能を持つため、小型でありながら大きな増倍効果が得られる。サイズが非常に小さいので配置容易で、使いやすい。面積１平方ｍｍ程度で応答速度もＧＨｚを超えるものが容易に入手できる。総合電子増倍率３０万倍程度が実現できるので、通常のＣＤＳＥＭで利用される１０ｐＡ程度の照射電流でも３μＡ程度の出力電流が得られるため、画像蓄積を行えば十分必要なＳＮＲ画像が取得できる。
【０１１１】
（３）電子検出装置７を既述した図４の（ｂ）のように分割し、２次電子あるいは反射電子を別々に検出すると、視差画像を取得できるようになる。
【０１１２】
サンプル１２の表面で生じた２次電子あるいは反射電子は、サンプルの３次元幾何学形状を反映して色々は方向に飛び出す（種々の運動エネルギーを持っている）。
【０１１３】
電子ビーム照射軸に対して電子検出装置の場所を変えることは、視点を変えることに相当するため、例えば、同一平面上に設けた、４つの独立した電子検出装置を使用すると、上下左右４つの方向の視差情報を得ることが出来る。この信号を処理することで、エッジの情報を強調したり、サンプルの３次元情報を得ることが可能となる。このような用途の場合は、リターディング電圧３３は数ＫＶと低くして、発生した２次電子が横方向に広がるようにすると、３次元幾何情報を含んだ電子を良く分離できる。
【０１１４】
図７は、本発明の１実施例構造図（その６）を示す。図７は、対物レンズ１０に電子検出装置７および電子ビーム形成用のアパチャー７１を配置した例を示す。
【０１１５】
図７において、電子検出装置７は、既述した電子検出装置７と同様な構造を持つものであって、ここで、対物レンズ１０の内側の図示の位置（主面より若干上の位置）に設けた例を模式的に示したものである。他の位置として、対物レンズ１０の主面、あるいは主面の若干下の位置、更に、対物レンズ１０の下極片の近傍のいずれかの位置に設けてもよい。
【０１１６】
アパチャー７１は、電子検出装置１０の中心部分に設けたものであって、通常は円形の穴（１０ミクロンないし数ｍｍ程度）を持つのものであり、所望の開角度の内側の１次電子２を通過させるものである。
【０１１７】
以上のように、電子検出装置７をサンプル１２の表面に近い場所に配置して、サンプル１２から放出された２次電子のうち放出角度の異なるものを４分割した電子検出装置７（既述した図４の（ｂ）参照）でそれぞれ検出することにより、サンプル１２面上の形状に依存した視差情報が多く得られ、より容易に３次元観察や検査を行うことが可能となる。
【０１１８】
図８は、本発明の１実施例構造図（その７）を示す。図８は、リターディング電極３３１を設け、これにリターディング電圧３３を印加した例を示す。図７は、サンプル１にリターディング電圧３３を直接に印加している。
【０１１９】
図９は、本発明の１実施例構造図（その８）を示す。図９は、差動排気アパチャー４１を設け、上側を真空ポンプで排気して高真空領域４２に保持し、下側のサンプル１２を収納する真空チャンバー１１を低真空領域とした構造を模式的に示したものである。
【０１２０】
差動排気アパチャー４１は、図示の例では、対物レンズ１０の下極の部分に配置した小さな穴を有するアパチャーであって、サンプル１２に１次電子２を平面走査するに必要な大きさ（例えば数ミクロンないし数百ミクロン程度）を有するものである。差動排気アパチャー４１は２つのアパチャーからなり、２つのアパチャーで挟まれた部分は真空ポンプで吸引する構造となっている。
【０１２１】
高真空領域４２は、差動排気アパチャー４１で分離された高真空側の領域であって、図示外の真空排気系で真空排気される領域である。
【０１２２】
低真空領域４１は、差動排気アパチャー４１で分離されたサンプル１２の側の低真空の領域であって、５パスカルないし１００パスカル程度に保持した領域である。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】本発明の１実施例構造図である。
【図２】本発明の１実施例構造図（その２）である。
【図３】本発明に係るアバランシェダイオードの構造と増倍率の例である。
【図４】本発明の１実施例構造図（その３）である。
【図５】本発明の１実施例構造図（その４）である。
【図６】本発明の１実施例構造図（その５）である。
【図７】本発明の１実施例構造図（その６）である。
【図８】本発明の１実施例構造図（その７）である。
【図９】本発明の１実施例構造図（その８）である。
【符号の説明】
【０１２４】
１：電子銃
２：１次電子
３：ブランキング装置
４：ブランキングアパチャー
５：コンデンサレンズ
６：電子検出装置支持部
７：電子検出装置
７１：アパチャー
８：２次電子
９：偏向装置
１０：対物レンズ
１１：真空チャンバー
１２：サンプル
１３：ＸＹステージ
１４；エミッタ
１６：開口
１７：メッシュ電極
２１：全体制御装置（ＰＣ）
２２：高圧制御装置
２３：ブランキング制御装置
２４：電子ビーム走査制御装置
２５：対物レンズ制御装置
２６：真空制御装置
２７：ステージ制御装置
２８：画像処理装置
２９：画像表示装置
３０：リターディング装置
３１：引出電圧
３２：加速電圧
３３：リターディング電圧
３３１：リターディング電極
３４：メッシュ電圧
３５：ブースティング電圧
３６：ブースティング電極
４１：差動排気アパチャー
４２：高真空領域
４３：低真空領域
【図１】
2016051593.tif 000003
【図２】
2016051593.tif 000004
【図３】
2016051593.tif 000005
【図４】
2016051593.tif 000006
【図５】
2016051593.tif 000007
【図６】
2016051593.tif 000008
【図７】
2016051593.tif 000009
【図８】
2016051593.tif 000010
【図９】
2016051593.tif 000011