(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子源と、
該電子源から放出される一次電子線を加速する電極と、
当該電極によって加速された一次電子線を収束するための収束レンズと、
該収束レンズによって収束された一次電子線の試料に対する照射に起因して発生する電子を検出するための検出器と、
前記試料に照射される一次電子線を、前記加速された一次電子線より低いエネルギーとなるように減速する第１の減速手段と、
前記試料で発生した電子を減速する電界を形成する第２の減速手段と、を備え、
該第２の減速手段が、前記試料で発生した電子を減速する電界を形成し、当該電界が形成された領域の通過を制限される電子を選択的に前記検出器に導くようにした電極で構成されることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１において、前記第１の減速手段は、前記試料及び／又は試料を配置する試料台に負電圧印加する負電圧印加手段で構成されることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項２において、前記負電圧印加手段によって前記試料及び／又は試料を配置する試料台に負電圧を印加し、前記電極は少なくとも２枚の電極で偏向器を構成し、当該２枚の電極には、前記試料から発生した電子を前記検出器に偏向し、第１の減速手段と前記試料との間で、前記負電圧の印加によって加速された前記試料から発生した電子に対する減速電界領域を前記電極間に形成するための電圧を印加するための電源が接続されること
を特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項２において、第２の減速手段が、偏向器を形成する前記電極で構成され、当該電極に前記第１の減速手段と前記試料との間で、前記負電圧の印加によって加速された前記試料から発生した電子に対する減速電界領域を形成するための電圧を印加するための電源が接続されたことを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項３において、前記試料に印加される前記負電圧は、前記試料から発生した電子を前記検出器へ偏向する偏向器にも印加されることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項３において、前記偏向器と前記試料との間には、接地電位が印加される電極が配置されることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項６において、前記接地電位が印加される電極と、前記偏向器を構成する電極の間には、接地電位と前記負の電圧の間の電圧が印加される中間電極が配置されることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項８】
請求項１において、前記電極は少なくとも２枚の電極で偏向器を構成し、当該２枚の電極が、電極間の間隔が前記電子源に向かって狭くなるように、或いは前記２枚の電極が、筒状体を構成し、該筒状体は内径が細くなるように形成されていることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項９】
請求項１において、前記検出器は電子を光に変換するシンチレータを有し、当該シンチレータと前記一次電子線の光軸の間には前記偏向器を形成するメッシュ状の電極が配置され、当該メッシュ状の電極と前記シンチレータの間には、メッシュ状の電極を透過した電子を前記シンチレータ方向に収束させる電極が設けられていることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項１０】
請求項１において、前記検出器より電子源側に第２検出器を備えることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項１１】
請求項１０において、前記第２検出器は、電子源側に一次電子ビームを通過させる開口を有する導電性の反射板と、当該反射板に対する電子の衝突によって発生する二次電子を軸外に偏向させて検出する偏向電極を備えていることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項１２】
請求項１１において、前記第２検出器より電子源側に、前記一次電子線を減速させる減速レンズを備えたバトラー形の電極を有することを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項１３】
請求項１０において、前記第２検出器は、軸外に配置されると共に、前記試料に対抗する検出面を有するチャンネルプレートを含むことを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項１４】
請求項１において、前記第１の減速手段、及び／又は第２の減速手段の減速強度を調節する手段を備えたことを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項１５】
請求項１において、前記試料及び／又は試料を配置するための試料台に、電圧を印加する可変電圧印加手段を備えたことを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項１６】
請求項１５において、前記第１の減速手段は、前記試料及び／又は試料を配置するための試料台に、負電圧を印加する負電圧印加手段を備え、該負電圧印加手段から与えられる負電圧は、前記可変電圧印加手段を介して前記試料、及び／又は試料を配置するための試料台に印加されることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項１７】
請求項１において、試料表面から放出された二次電子の量を検知する検知手段と、検知された二次電子のエネルギーに依存して試料に試料の表面の帯電を打ち消すような表面補正電圧を印加する手段を備えたことを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項１８】
請求項１において、試料表面から放出された二次電子の量を検知する手段と、試料に試料の表面の帯電を打ち消すような表面補正電圧を印加する手段を備え、予め求められた試料へ印加する表面補正電圧と二次電子増倍管の出力の関係から予め決められた二次電子エネルギー値になる試料の表面補正電圧に設定する表面補正電圧設定手段を備えたことを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項１９】
請求項１において、前記検出器は、エネルギー検知手段としての二次電子増倍管を備えることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項２０】
請求項１において、前記第２の減速手段は、前記一次電子線を包囲する電極で構成し、該電極は、負電圧を印加する電源を備えていることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項２１】
請求項２０において、前記一次電子線を包囲する電極は少なくとも２つの電極から構成され、該電極には前記試料から発生した電子を前記検出器に偏向するための電圧が印加されることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項２２】
請求項２０において、前記一次電子線を包囲し、前記偏向器を構成する前記電極を包囲するようにフィルタメッシュが配置されていることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項２３】
請求項２０において、前記電極は少なくとも２つの電極から構成され、一方の電極はメッシュを備えていることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項２４】
請求項１において、前記第１の減速手段は、少なくとも対物レンズの電子線通過口を包囲する円筒体を有し、当該円筒体には正の電圧が印加されることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項２５】
請求項１において、前記第１の減速手段は、対物レンズの上磁極を下磁極に対し電気的に絶縁したものを含み、前記上磁極には正の電圧が印加されることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項２６】
請求項１において、前記偏向器は、前記検出器の方へ電子を偏向する偏向電界を形成する電極と、該偏向電界に直交する磁界を発生する磁界発生手段を備え、前記偏向電界による一次電子ビームの偏向を前記磁界によって打消すように調節されていることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項２７】
電子源と、該電子源から放出される一次電子線を収束するための収束レンズと、前記一次電子線の軸外に配置され、試料に対する一次電子線の照射に起因して発生する電子を検出するための検出器と、を備えた走査形電子顕微鏡において、
前記試料に照射される一次電子線を減速する第１の減速手段と、前記試料で発生した電子を減速する電界を形成する第２の減速手段と、前記試料を載置するための試料台と、当該試料台、及び／又は前記試料に負電圧を印加する負電圧印加電源と、を備え、前記第２の減速手段は、電極で構成され、該電極が負電圧の印加によって前記電子源方向に向かう前記試料で発生した電子に対する減速電界を形成し、負電圧印加電源による負電圧印加による加速分を相殺して前記試料で発生した電子の、前記減速電界の通過を制限し、前記一次電子線の軸外に配置された検出器に、前記減速電界によって当該電界領域の通過を制限された前記試料で発生した電子を前記検出器に偏向させることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項２８】
請求項２７において、前記検出器は試料側の第１検出器および電子線側の第２検出器から構成され、前記電極は第１偏向器および第２偏向器を構成し、前記第２の減速手段は、前記第１の減速手段の加速エネルギーによって加速された二種類の電子について、低いエネルギーを持つ電子と高いエネルギーを保持する電子に減速し、減速された低いエネルギーの電子と低いエネルギーの電子の内、低いエネルギーの電子を第１偏向器で前記第１検出器に偏向させ、高いエネルギーの電子を第２偏向器で前記第２検出器に偏向させることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項２９】
請求項２８において、前記第１偏向器は前記試料方向に向かって広く開放されるように形成された少なくとも２つの電極を含むことを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項３０】
請求項２７において、前記試料台及び／または前記試料に印加される前記負電圧を制御する制御手段を備えたことを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、走査電子顕微鏡に関し、特に低加速電圧の領域で分解能の高い走査像を得るのに好適な走査形電子顕微鏡に関する。
背景技術
走査形電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：以下ＳＥＭとする）は、加熱形または電界放出形の電子源から放出された電子を加速し、静電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、この一次電子線を観察する試料上に二次元状に走査し、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電子を検出し、検出信号強度を一次電子線の走査と同期して走査されるブラウン管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。
一般のＳＥＭでは、負電圧を印加した電子源から放出された電子を接地電圧の陽極で加速し、接地電圧にある検査試料に一次電子線を走査する。
昨今の半導体の微細化により、ＳＥＭが光学顕微鏡に代わって、半導体素子製作のプロセスまたはプロセス完成後の検査（例えば電子ビームによる寸法測定や電気的動作の検査）に使われるようになってきた。
このＳＥＭの観察対象となる半導体試料は、一般にＡｌやＳｉなどの導電体の上に電気絶縁物を積層して構成される。このような試料に電子線を照射すると、試料が表面が帯電（チャージアップ）し、放出される２次電子の軌道が変化したり、一次電子線そのものの軌道が変化するようになる。この結果、ＳＥＭ像に異常コントラストが生じたり、歪みなどが発生したりする。このようなチャージアップによる影響を低減するには、照射される電子線のエネルギーを低く抑えることが必要である。
しかしながら、電子線のエネルギー（加速電圧）を低くすると、電子線のエネルギーのばらつきに起因する色収差により分解能が著しく低下し、高倍率での観察が難しくなるという問題があった。
このような問題を解決するための手段として、特開平  ６−１３９９８５  号公報に電子線に対する減速電界形成技術（以下リターディングとする）が開示されている。
リターディングは、電子源と陽極間での加速電圧は高く設定し、更に試料に負電位を印加することによる減速電界の形成によって、最終的に比較的低い加速電圧に設定し、色収差の低減とチャージアップの防止を両立させる技術である。
発明の開示
このようにリターディングの技術は、試料のチャージアップを低減しつつ、低収差，高分解能を実現し得る技術であるが、以下のような問題を有している。
試料に負電圧を印加した場合に形成される減速電界は、一次電子線に対して減速作用を与える反面、試料から発生する２次電子や反射電子に対して加速作用を与えることになる。つまり２次電子も反射電子と同様に、強いエネルギーをもって電子源の方向に飛ばされることになる。
このような強いエネルギーを持った電子を検出する手段として、特開平６−１３９９８５号公報に開示された技術がある。この公報には一次電子線の通過開口を備えたマイクロチャンネルプレート（Ｍｉｃｒｏ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｐｌａｔｅ：ＭＣＰ）の検出面を試料に対抗するように配置する技術が開示されている。また反射電子を選択的に検出するためにエネルギフィルタをマイクロチャンネルプレートの検出面と、試料との間に配置することが開示されている。
他にも、特開平  ９−１７１７９１  号公報に開示されているように、一旦反射板に強いエネルギーを持つ電子を衝突させ、２次電子に変換した後に検出器に導いて検出する技術や、特開平  ８−１２４５１３  号公報に開示されているように、電子増倍管に直接電子を衝突させて検出する技術がある。
しかしながらこれらの検出原理からなる走査形電子顕微鏡では、２次電子と共に反射電子も同じ検出器で併せて検出してしまうことになり２次電子と反射電子を明確に分離できないという問題がある。
また特開平６−１３９９８５号公報に開示の技術によれば、エネルギフィルタの存在により、反射電子のみの検出、或いは二次電子と反射電子を併せて検出することはできるものの、減速電界によって加速された２次電子を単独で検出することや、互いの電子の情報が混入しない状態での反射電子と二次電子を別々に、しかも同時に検出することができなかった。
２次電子や反射電子は個々に固有の情報を持ち、これらを分離して検出することで、試料のより詳細な情報を得ることが可能になり、これらを分離して検出することが望まれている。
また２次電子と反射電子を独立して検出する技術が特開平  ７−１９２６７９
号公報に開示されている。この文献の開示によれば、２次電子を偏向するための偏向器によって２次電子と反射電子の軌道を分離し、この分離軌道上にそれぞれの検出器を配置することによって２次電子と反射電子をそれぞれ独立に検出することが開示されている。
しかしながらこの技術にリターディングを採用すると、２次電子も反射電子と同様に強いエネルギーを持つことになるので、２次電子と反射電子の軌道の差がわずかなものになり、明確に２次電子と反射電子を分離できないという問題がある。
以上のように上記いずれの文献に開示された技術においても、リターディング技術の適用により、２次電子を反射電子と分離して検出することが困難になるという問題があった。
本発明は、試料の帯電を低減し、低収差高分解能を実現し得るリターディング技術を採用しつつ、２次電子の分離検出を可能ならしめる走査形電子顕微鏡の提供を目的とするものである。
以上、本発明の目的は、電子源と、該電子源から放出される一次電子線を収束するための収束レンズと、該収束レンズによって収束された一次電子線の試料に対する照射に起因して発生する電子を検出するための検出器と、前記試料に照射される一次電子線を減速するための第１の減速手段と、前記試料から発生した電子を減速する第２の減速手段と、当該第２の減速手段で減速された電子を前記検出器に偏向する偏向器を備えたことを特徴とする走査形電子顕微鏡の提供により達成される。
上記構成によれば、リターディングを採用した走査形電子顕微鏡であっても、一次電子線の照射によって発生する電子の内、エネルギーの低い電子（２次電子等）を選択的に検出することが可能になる。
発明を実施するための最良の形態
本発明実施例装置は、試料のチャージアップの抑制と共に、高分解能，低収差を目的としたリターディング技術を採用した走査形電子顕微鏡において、リターディングにより加速される電子を減速する減速電界を形成し、当該減速電界によって減速された二次信号を検出する走査形電子顕微鏡に関するものである。以下図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
図１は、本発明実施例の走査電子顕微鏡を構成を示す図である。電界放出陰極１と引出電極２との間に引出電圧３を印加すると、放出電子４が放出される。放出電子４は、引出電極２と接地電圧にある陽極５の間でさらに加速（減速の場合もある）される。陽極５を通過した電子ビーム（一次電子ビーム７）の加速電圧は電子銃加速電圧６と一致する。
陽極５で加速された一次電子ビーム７はコンデンサレンズ１４，上走査偏向器１５，下走査偏向器１６で走査偏向を受ける。上走査偏向器１５，下走査偏向器１６の偏向強度は、対物レンズ１７のレンズ中心を支点として試料１２上を二次元走査するように調整されている。偏向を受けた一次電子ビーム７は、対物レンズ１７の通路に設けられた加速円筒９でさらに後段加速電圧２２の加速をうける。
後段加速された一次電子ビーム７は、対物レンズ１７のレンズ作用で試料１２上に細く絞られる。対物レンズ１７を通過した一次電子ビーム７は、試料１２に、試料ホルダ１００を介して印加される負の電圧（以下リターディング電圧１３とする）で対物レンズ１７と試料１２間に作られる減速電界で減速されて試料１２に到達する。
８は一次電子ビーム７の開口角を制御する絞りで調整つまみ１０によって軸合せができるようになっている。１９は試料１２をＸＹに移動するためのＸＹ移動機構で、この上に絶縁板２１で絶縁されたホルダ１００が置かれ、これにリターデング電圧１３が印加されている。このホールダ１００に試料（例えばウエハ）を載せる。載せることで試料１２にもリターデング電圧１３が印加される。
この構成によれば、対物レンズ１７を通過するときの一次電子ビーム７の加速電圧は、電子銃加速電圧６と後段加速電圧２２で、試料１２に入射する加速電圧（電子銃加速電圧６−リターデング電圧１３）より高くなっている。この結果、試料に入射する加速電圧の一次電子ビーム（電子銃加速電圧６−リターディング電圧１３）を対物レンズ１７で絞る場合に比較し、より細い電子ビーム（高い分解能）が得られる。
これは対物レンズ１７の色収差が減少することによる。典型的な例では、電子銃加速電圧６を２ｋＶ、後段加速電圧２２を７ｋＶ、リターデング電圧１３を１ｋＶとする。この例では、一次電子ビーム７は対物レンズ１７内を９ｋＶで通過し、試料に入射する加速電圧は１ｋＶになる。この例での分解能は、１ｋＶそのものを絞ったときの分解能１０ｎｍに比較すると、約３分の１の３ｎｍに改善される。
一次電子ビーム７が試料１２を照射すると二次信号２３が発生する。ここで発生する二次信号２３は二次電子と反射電子に大別される。
対物レンズ１７と試料１２間に作られている電界は、発生した二次信号２３に対しては加速電界として作用するため、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上昇する。対物レンズ１７内を通過した二次信号２３は走査偏向器（１５、１６）を通過する。
本発明実施例に開示された走査形電子顕微鏡では、走査偏向器を通過した二次信号２３は、静電偏向器４１ａ，４１ｂ間で形成される減速電界によって減速される。
この静電偏向器４１ａ，４１ｂには、偏向電圧（偏向負電圧４６と偏向正電圧４７）の中点に、試料１２に印加されているリターデング電圧１３が供給されている。
以下に本実施例における二次信号２３の検出原理について説明する。なお電子銃加速電圧６を２ｋＶ、後段加速電圧２２を７ｋＶ、リターデング電圧１３を１ｋＶとした場合について説明するが、この数値に限られるものではない。
試料１２で発生した二次信号２３（放出エネルギーは０から約１０Ｖに分布し、約２Ｖにピークをもつ二次電子と放出エネルギーが１ｋＶの反射電子）は、試料１２に印加されたリターデング電圧１３と後段加速電圧２２で加速され、二次電子は８ｋＶで、反射電子は９ｋＶで対物レンズ１７を通過する。
後段加速電極９を通過すると二次信号２３は減速され、二次電子は１ｋＶに、反射電子は２ｋＶになる。下検出器の静電偏向電極４１ａ，４１ｂの中点にリターデング電圧１３が印加されているため、静電偏向器４１ａと４１ｂで作られる領域に入る時点でさらに減速を受け、二次電子，反射電子とも放出時のエネルギーになる（二次電子：０〜約１０Ｖ，反射電子：約１ｋＶ）。即ちリターディング電圧１３の加速分がここで相殺される。
エネルギーの低い二次電子５０のみが静電偏向電極４１ａ，４１ｂの作る電界で偏向され、メッシュ状の静電偏向電極４１ｂを通過して、シンチレータ４３を光らせ、ライトガイド４４，光電子増倍管４５に導かれて電気信号に変換，増幅される。ここで検出されるのはエネルギの低い二次電子である。なお磁界偏向コイル４０ａ，４０ｂは静電偏向電極４１ａ，４１ｂによる一次電子ビーム７の偏向を補正するように作用する。
一方、反射電子５１は、静電偏向器４１ａと４１ｂとで形成される減速電界による減速をうけてもなお、約１ｋＶのエネルギーを持っている。このため静電偏向電極４１ａ，４１ｂの作る電界でほとんど偏向されることなく第１検出器３４を通過する。反射電子５１は、リターデング電圧１３による加速を受けて、約２ｋＶで第２検出器３５に入り、反射板２９に衝突する。ここで発生した二次電子３０は静電偏向電極３１ａ，３１ｂで偏向され、メッシュ状の静電偏向電極３１ｂを通過して、検出される。静電偏向電極３１ｂはメッシュ状で、偏向された二次電子３０が通過できるようになっている。３３ａ，３３ｂは磁界偏向コイルで、静電偏向電極３１ａ，３１ｂの作る電界と直交する磁界を発生させ、静電偏向による一次電子ビーム７の偏向を打消すようになっている。ここで検出される信号は反射電子５１の情報を反映したものになる。
なお、反射板２９は中央に一次電子ビーム７を通過させる開口を持った導電性の板である。反射電子５１が衝突する面は二次電子の発生効率のよい物質、例えば金蒸着面になっている。
メッシュ状の静電偏向電極３１ｂを通過した二次電子は正の１０ｋＶ高電圧が印加されたシンチレータ３２に吸引され、シンチレータ３２に衝突し、光を発生する。この光をライトガイド２４で光電子増倍管１８に導き、電気信号に変換し、増幅する。この出力でブラウン管の輝度変調を行う（図示せず）。
以上のような構成によれば、第１検出器３４で２次電子５０を検出し、第２検出器３５で、反射電子５１の情報を反映した２次電子を検出できる。なお、反射板２９のかわりにチャンネルプレート検出器を配置し、衝突した反射電子を直接検出するようにしても良い。
従来の反射板を備えた走査形電子顕微鏡では、反射電子と２次電子の両方を検出することができても、両方の電子が混在してしまい、例えば反射電子のみをもって試料像を形成したい場合であっても、二次電子の情報に邪魔されて結果として試料像に反射電子の情報が十分に反映されないというような問題があった。
また従来のチャンネルプレート検出器を用いた走査電子顕微鏡では、チャンネルプレートと試料との間に配置されるエネルギフィルタの調節によって、反射電子のみ、或いは２次電子と反射電子を合成して検出することができるが、反射電子と２次電子をそれぞれ、独自に検出することができず、例えば反射電子と二次電子のそれぞれの試料像を得たい場合、反射電子像を形成するための電子線走査と、２次電子像（但しこの場合、反射電子が混入する）を得るための電子線走査を行なう必要があり、スループットの問題、及び電子線の照射時間が長時間に及ぶことによる試料の帯電の問題があった。
また、場合によっては、反射電子の影響によって、二次電子が作るコントラストを消してしまうことも有り、反射電子が混入しない２次電子を検出できる走査形電子顕微鏡が望まれる。
本発明実施例の走査形電子顕微鏡によれば、以上の問題をすべて解決し、リターディング技術により、二次信号を加速させた場合であっても、２次電子と反射電子を分離した上でかつ同時に、或いは反射電子のみ、２次電子のみを検出することが可能になる。
また、反射電子は二次電子に比較して直進性、透過性に優れているので、半導体デバイスに形成されたコンタクトホールの底部を観察するのに適している。
反射電子は物質間のコントラストをより明確に付けることができるので、例えば半導体デバイス上のレジストの残渣の有無を確認できる。また半導体デバイス上で、デバイスを構成する材料とは異なる部材で形成される位置合わせマークを明確に検出し、当該検出に基づく正確な位置合わせを行なうことできる。
一方、二次電子は反射電子に比べて信号量が多いので、コンタクトホール周辺の試料表面の微細構造を観察するのにすぐれている。本発明実施例の走査形電子顕微鏡によれば、コンタクトホールの底の観察と、コンタクトホールの周辺部の詳細な観察を同時に実現できる。この場合、第１検出器３４で得られた電子に基づく試料像を“試料表面の像”とし、第２検出器３５で得られた電子に基づく試料像を“コンタクトホール像”として図示しない表示装置上に同時に表示することもできる。
更に光電子増倍菅１８、４５から出力された信号の比率を調節して、反射電子と２次電子の合成像を形成することもできる。この場合、反射電子と２次電子は、同時に検出することができるので、同じ条件の試料から発生した反射電子と２次電子の情報に基づく合成像を形成することが可能になる。また本発明実施例の走査形電子顕微鏡では、例えば２次電子と反射電子を別々に検出し、それぞれの電子で得られた試料像をフレームメモリ（図示せず）に記憶させた上で、合成比率の調節ができるので、合成像の比率調整のために、試料に電子線を照射し続ける必要もない。更に、２次電子像や反射電子像の夫々に適した画像処理等を行なった上で、合成像形成を行なうことができる。
また、これまでの説明では２次電子と反射電子を明確に分離して検出する例について説明したが、必ずしもこの例に限られることはない。例えば、試料に印加されるリターディング電圧より、静電偏向電極４１ａ，４１ｂに印加されるリターデング電圧を若干弱くすれば、反射電子５１と共に若干量の２次電子が反射板２９に衝突し、二次電子に変換されて第２検出器で検出される。即ち第１検出器３４では低い加速電圧を有する２次電子を検出し、第２検出器３５では高加速電圧の２次電子と反射電子を検出するようにしても良い。
このように検出したとしても第２検出器３５で検出された電子によって形成される試料像は、第１検出器３４のそれに比べて反射電子の情報を強く反映した像であり、例えば半導体検査の際、コンタクトホールを含む試料領域や、レジストの残渣を観察したい場合には第１検出器３４を用い、試料表面に形成されたパターン形状の確認や、その寸法を測定を望む場合は、第２検出器３５を用いるとすれば、特に複雑な制御をしなくても、所望の対象の観察モード（コンタクトホール観察モード、パターン観察モード等）の切り替えを行なうことができる。
本実施例では、加速円筒９を備えた装置として説明したが、この加速円筒９がなくても同様な効果が得られることはもちろんである。また、試料１２へのリターディング電圧１３の印加がない場合でも同様である。すなわち、両者が同時に装着されていることは必須条件ではなく、それぞれが単独であってもよく、両者が装着されていない構造でもよい。また減速電界形成技術は上記したもの以外にも種々のものがある。それについては後述する。
（実施例２）
図２に第１検出器３４の光軸に直交する断面を示した。静電偏向器４１ａ，４１ｂは円筒を縦割りにした構造をしている。静電偏向器４１ｂはメッシュで偏向した二次電子５０が通過できるようになっている。二次電子５０を偏向する電界Ｅは偏向負電圧４６と偏向正電圧４７で作る。通常、この偏向正電圧４６，偏向負電圧４７は同じ値である。４６と４７の中点にリターデング電圧が印加されている。
偏向コイル４０ａ，４０ｂは電界Ｅと直交する偏向磁場Ｂを作る。この磁場は、一次電子の偏向電界Ｅによる偏向を打消すように強度と方向が調整される。
この磁場は二次電子５０に対しては偏向を強めるように働く。静電偏向器４１ｂの外周にフィルターメッシュ４２が設置されている。これは二次電子５０を放出エネルギーの差で分離するためのもので、４６，４７の中点に対して（リターディング電圧に対して）フィルター電圧４８を与えることでエネルギーの分別を行う。
正電圧を与えると、総てのエネルギー範囲の二次電子を通過させ、負電圧を与えることで負電圧に相当するエネルギー以下の二次電子を追い返すため、フィルターメッシュ４２を通過する二次電子は高いエネルギーを持ったもののみになる。フィルターメッシュ４２を通過した二次電子は、１０ｋＶが印加されたシンチレーター４３に吸引，加速され、シンチレーター４３を光らせる。発光した光はライトガイド４４に導かれる。
尚、図１において静電偏向器４１ａ，４１ｂの中点に印加しているリターデング電圧１３をＯＦＦとし、二次電子も上方に導き、第２検出器３５で二次電子，反射電子の両方を検出するようにすることも可能である。
（実施例３）
図１の実施例では、第１検出器３４の静電偏向器４１ａと４１ｂの中点にリターデング電圧を印加したが、これに電圧を重畳することでも二次電子のうちの特定なエネルギーを選択して検出することが可能になる。図３を用いてその検出原理を説明する。
この構成によれば、エネルギーの低い二次電子を、選択的に検出できる。静電偏向器４１ａと４１ｂの上下に上メッシュ５４と下メッシュ５５が設置され、静電偏向器４１ａと４１ｂの偏向電圧４６，４７の中点に接続されている。この例では重畳電圧５３に正電圧を印加する。この電圧は例えば５Ｖとする。
この状態では静電偏向器４１ａと４１ｂの中点には、試料に印加されるリターディング電圧（負電圧）に重畳電圧５３（正電圧）が加算された電圧が印加される。こうすると静電偏向器４１ａと４１ｂの領域内での二次電子のエネルギーは、図２の例と比較すると５Ｖ高くなる。放出エネルギーの高い二次電子はよりエネルギーが高くなるため偏向量が少なくなり、図に示すように検出されることなく通過してしまう。この例のようにリターディング電圧に正電圧を重畳することで放出エネルギーの低い二次電子を選択的に検出することが可能となる。
この実施例では、上下にメッシュ５４，５５を設置したが、これを省略しても同様な性能を得ることができる。また、この上下メッシュの中央には一次電子ビームを通過させる開口が設けられている。
なお、このような場合においてエネルギの高い二次電子の軌道上に第２検出器３５を配置しておけば、第１検出器３４でエネルギの低い二次電子を検出し、第２検出器３５でエネルギの高い二次電子を検出することが可能になる。また第２検出器で反射電子を含まないエネルギの高い２次電子のみを検出したい場合は、反射板２９を外しておくと良い。反射板は、反射電子検出の要否に応じて光軸外から挿入可能に設置しておいても良い。このように観察試料の組成や観察目的に応じて、検出器の位置や反射板を設定することもできる。
（実施例４）
図４はエネルギーの高い二次電子を選択的に検出している様子を示した例を示す図である。図３の例と異なり重畳電圧５３を負電圧とする。この結果、エネルギーの低い二次電子は下メッシュ５５で追い返されてしまうため、検出される二次電子は下メッシュ５５を通過できるエネルギーを持った高エネルギーの二次電子のみになる。またこの例の場合、反射板２９を備えた第２検出器３５では反射電子が検出されるので、第１検出器３４ではエネルギの高い二次電子が検出され、第２検出器３５では反射電子が検出されることになる。
本発明実施例の走査電子顕微鏡によれば、リターディング電圧によって加速された二次信号を、一旦減速した上で、軸外に配置された検出器に偏向しているので、大きな偏向電界を形成する必要がない。このような状態となれば、静電偏向電極４１ａ，４１ｂ間に弱い電位差を生じさせるだけで、２次電子を選択的に静電偏向電極４１ｂ側に導くことができる。
このように構成することによって、試料２４と対物レンズ１７の間に形成される加速電界（２次信号から見た場合）と同じ大きさの減速電界を、試料と、静電偏向電極４１，４２の間に形成することができるので、静電偏向電極４１，４２を通過する２次電子と反射電子は、レターディングを行わないときと、同等の状態となる。
この静電偏向電極４１ａ，４１ｂの間に形成する偏向電界は弱く設定することが望ましい。この間に働く偏向電界は２次信号だけでなく、一次電子線をも偏向してしまい、軸外収差の発生原因となるからである。
なお、本発明実施例装置では、静電偏向器によって偏向された一次電子線の軌道を、静電偏向器が形成する偏向電界と直交する方向に磁界を形成することによって元に戻すような工夫（直交電磁界発生器：特開平９−１７１７９１  号公報に開示されている）がなされているが、あまり静電偏向器の偏向力を大きくすると、一次電子線がエネルギー分散してしまい収差発生の原因ともなるので、直交電磁界発生器を採用したとしても、静電偏向電極４１ａ，４１ｂの間に形成する偏向電界は弱く設定することが望ましい。
（実施例５）
図５は本発明の他の例を示す図である。この実施例では、対物レンズ１７の磁路が上磁路２５と下磁路２６に分割されている。上磁路２５には、後段加速電圧２２が印加され、上磁路２５が後段加速電極を兼ねている。このような構成によれば、別途後段加速電極を設けた場合と比較して、対物レンズの軸と後段加速電極との軸ずれが発生する可能性を減少させることが可能になる。
また、この例では、試料１２と対物レンズ１７の間に制御電極２７が設置されている。この制御電極２７には、試料１２と同じ電圧が印加されている。このように形成することによって、絶縁物試料の表面が試料１２と対物レンズ１７との間で印加された電界で電気的に浮いてしまうことを防ぐ。この制御電極２７の設置により、試料ホルダ１００に印加された電圧と同等の電位を試料に印加することが可能になる。
またこの実施例の反射板２９はシンチレータ３２に向かって傾斜され、反射電子の衝突による二次電子発生効率の向上を計っている。
（実施例６）
図６は、本発明実施例の走査電子顕微鏡を構成の他の例を示す図である。図１と共通する番号を持つ構成要素の説明は省略する。ライナーチューブ１０６は上走査偏向器１５、下走査偏向器１６より光軸側に配置されている。ライナーチューブ１０６は接地電位である。
本実施例の走査形電子顕微鏡では、第１検出器３４の静電偏向器４１ａと４１ｂに換えて、電子源方向に向かって電極間間隔が狭くなる静電偏向電極１０１ａ、１０１ｂを設けている。以下に図１で用いられている静電偏向器４１ａと４１ｂとの違いについて説明する。
図７（Ａ）は、図１の静電偏向電極４１ａ、４１ｂの周辺部の構造を示す図であり、（Ｂ）は軸上の電位分布である。試料に印加されたリターディング電圧（図示せず）によって加速された二次電子１０２は、二次電子検出部１０３で減速される。即ち、二次電子検出部１０３には試料１２とほぼ同じ電圧が印加されており、二次電子１０２は二次電子検出部１０３の加速減速領域１０４で１０ｅＶ程度まで減速される。
減速された二次電子１０２は試料電圧を基準として負電圧を印加した静電偏向電極４１ａと正電圧を印加した静電偏向電極４１ｂで偏向される。静電偏向電極４１ｂはメッシュ状で、偏向された二次電子５が通過できるようになっている。４０ａは磁界偏向コイルで、静電偏向電極４１ａ，４１ｂの作る電界と直交する磁界を発生させ、静電偏向による一次電子ビームの偏向を打消すようになっている。
メッシュ状の静電偏向電極４１ｂを通過した二次電子５は正の１０ｋＶ高電圧が印加されたシンチレータ４３に吸引され、シンチレータ４３に衝突し、光を発生する。
リターディング電圧１３が低電圧（例えば数百Ｖ以下）の場合には二次電子１０２は静電偏向電極４１ａ，４１ｂの作る偏向電界によって効率よく静電偏向電極４１ｂに偏向される。しかし、リターディング電圧１３が高電圧（例えば数百Ｖ以上）になると、入口領域１０４から静電偏向電極４１ａ，４１ｂの間に浸透する減速電界は、静電偏向電極４１ａ，４１ｂの作る偏向電界よりも強くなり、二次電子１０２は試料１２の方向に引き戻される場合がある。
この現象は、走査偏向器１５，１６による偏向を受けて光軸から大きく外れた二次電子５を取り込むために、静電偏向電極４１ａと４１ｂの電極間隔を広く（三次元的には径を大きく）した場合に特に顕著となる。
同様の電界の浸透は加速減速領域１０５にも発生し、静電偏向電極４１ａと４１ｂの間に進んだ二次電子１０２は偏向領域を通り越して、加速減速領域１０５を突き抜ける場合がある。
以上のような課題を解決するために、本発明実施例では、上記した電子源方向に向かって電極間間隔が狭くなる静電偏向電極１０１ａ、１０１ｂを設けている。その詳細を図８を用いて説明する。図８（Ａ）は電子源方向に向かって電極間間隔が狭くなる静電偏向電極１０１ａ、１０１ｂの周辺部の構造を示す図であり、（Ｂ）は軸上の電位分布である。
横方向電界を生成する静電偏向電極１０１ａ、１０１ｂの下端の間隔は光軸から大きく外れた二次電子５を取り込めるように広くなっている。静電偏向電極１０１ａと１０１ｂの間の偏向領域の上半部では、電極間隔が狭いため、偏向電界は下半部に比べて強くなる。取り込まれた二次電子５は偏向領域の上半部の比較的強い偏向電界によって高効率に静電偏向電極１０１ｂに偏向される。
このような電極構造によれば、電子線光軸から外れた二次電子をも広く取り込めるようになると共に、二次電子を高効率に検出器に導くことができるようになる。
また、これまで説明してきたように二次電子を偏向する領域は試料とほぼ同電位となるため、加速減速領域１０７（入口）、１０５（出口）にはそれぞれ強い減速電界と加速電界が発生する。この強い電界が静電偏向電極１０１ａ、１０１ｂの偏向領域内に及ぶと、先に説明したように二次電子が試料側に引き戻されたりする場合があるので、本発明実施例の走査形電子顕微鏡では、静電偏向電極１０１ａ、１０１ｂ内に及ぶ電界の影響を軽減するために、加速減速領域１０７に、リターディング電圧およびブースティング電圧とは独立に電圧制御できる減速電極１０８を設置し、偏向領域への減速電界の浸透を制御する。
この減速電極１０８（中間電極）を設置することで、試料から上ってきた二次電子１０２は、多段階（本実施例の場合、１０７ａ、１０７ｂの２段階）に減速することになる。このため、減速電極１０８がない場合に比較して静電偏向電極１０１ａ、１０１ｂ内への電界の影響を緩和することができる。
更に減速電極１０８にはメッシュ１０９を張ることにより、より効果的に減速電界の浸透が制御できる。なお、メッシュ１０９において光軸上には一次電子１１０が通過する開口を設ける。
上記実施例の記載によれば、静電偏向電極１０１ａと１０１ｂは電子源方向に向かって電極間間隔が狭くなるものとして説明したが、電子源の方にいくに従って、内径の細くなる筒状電極を縦割りにしたような構造であっても良いし、平板状の２枚の電極間間隔を電子源方向にいくに従って、狭くするような構造でも良い。
また電極は必ずしも２つである必要はなく、それ以上であっても良い。
なお、ライナーチューブ１０６は、必ずしも接地電位である必要はなく、例えば加速円筒として用いても良いが本実施例の場合、偏向領域への減速電界の浸透を緩和すべく、接地電位としている。
（実施例７）
図９は、二次信号を減速する減速電界を形成するための電界形成手段の他の例を示す図である。
この図では、二次電子検出部１０３の光軸に直交する断面を示した。この図では表現されていないが静電偏向電極１０１ａ、１０１ｂは円錐台側面を縦割りにした構造をしている。静電偏向電極１０１ｂはメッシュで偏向した二次電子１０２が通過できるようになっている。二次電子１０２を偏向する電界Ｅはリターディング電圧１３で浮かした偏向電圧４６（負）と偏向電圧４７（正）で作る。偏向コイル１１１は電界Ｅと直交する偏向磁場Ｂを作る。この磁場は、一次電子の偏向電界Ｅによる偏向を打消すように強度と方向が調整される。この磁場は二次電子１０２に対しては偏向を強めるように働く。
なお、本実施例装置で採用されている偏向コイル１１１は、４つのコイルで構成され、これらコイルをそれぞれ独立に制御することで、偏向磁場Ｂによる偏向方向、及び強度を調節できる構造となっている。このように構成することで、電界Ｅと磁場Ｂの直交度の補正を行なうことができる。
静電偏向電極１０１ａ及び１０１ｂの外周には、静電偏向電極１０１ｂのメッシュを透過してきた二次電子１０２をシンチレータ４３に導くための反射壁電極１１２を設置している。
反射壁電極１１２は静電偏向電極１０１ａと同電位であってもよいため、一体構造とすることも出来る。静電偏向電極１０１ｂを通過した二次電子１０２は、１０ｋＶが印加されたシンチレータ４３に吸引，加速され、シンチレータ４３を光らせる。
本発明実施例装置によれば、静電偏向電極１０１ａ，１０１ｂはリターディング電圧１３が印加されているため、電子顕微鏡の鏡筒（図示せず）との間に電位差が生まれ、試料から上ってきた２次信号が周囲に飛散する恐れがあるが、静電偏向電極１０１ａ，１０１ｂを包囲するように反射壁電極１１２を配置することによって、そのような弊害を解消することができる。
（実施例８）
図１０、図１１には、静電偏向電極１０１ｂを通過した二次電子１０２をシンチレータ４３に導く二次電子収束筒電極１１３を示す。二次電子１０２は静電偏向電極１０１ｂのメッシュ全体を通過してくることから、メッシュに比べて有効面積の狭いシンチレータ４３に高効率で取り込むため、二次電子収束筒電極１１３を用いて二次電子１０２を収束させる。
図１０は静電偏向電極１０１ｂを通過した二次電子１０２を絞って、直接シンチレータ４３に入射する方式である。二次電子収束筒電極１１３にリターディング電圧１３を印加すると、接地されたシンチレータ外筒１１４からの加速電界を受けて、二次電子１０２は二次電子収束筒電極１１３の中央部に位置するシンチレータ４３に収束する。
一方、図１１は静電偏向電極１０１ｂを通過した二次電子１０２を直進加速し、一旦、二次電子収束筒電極１１３の内面あるいはシンチレータ外筒１１４に衝突させ、新たな二次電子１１５を生成する方式である。
静電偏向電極１０１ｂに面する二次電子収束筒電極１１３の開口にメッシュ１１６を張り、静電偏向電極１０１ｂによる電界が二次電子収束筒電極１１３の内部に浸透することを防止する。これにより、約１０ｋＶの電圧１１７が印加されたシンチレータ４３からの引き込み電界が二次電子収束筒電極１１３の内部に浸透し、二次電子１１５はシンチレータ４３に効率よく補足される。
（実施例９）
図１２は、二次電子検出部１０３に加えて反射電子検出部１１８についてもリターディング電圧１３が印加される例を示す図である。一次電子ビーム１１０はバトラー形の減速レンズ１１９で減速され、反射電子検出部１１８および二次電子検出部１０３の内部を通過し、減速電極１０８の領域で加速される。
電子銃加速電圧を２ｋＶに対してリターディング電圧１３は１ｋＶと大きい上に、反射板２９の光軸上に開いた一次電子ビーム１１０を通すための開口は１ｍｍ程度の小さな径であるため、収差が発生しやすく、一次電子ビーム１１０のビーム径が増大する恐れがある。しかしバトラー形の減速レンズ１１９を導入することで、収差の発生を抑えたまま、一次電子ビーム１１０を減速することが出来る。反射電子検出部１１８と二次電子検出部１０３はメッシュ電極１２０で分離する。偏向電極電圧１２１より数十Ｖ高い負電圧１２２を印加することにより、二次電子１０２が反射電子検出部１１８に透過することを防止する。また、逆に、反射板２９で発生した二次電子１２３が二次電子検出部１０３に透過することを防止することができる。
静電偏向電極１０１ａと１０１ｂが生成する偏向電界によってメッシュ状の静電偏向電極１０１ｂを通過した二次電子１０２は正の１０ｋＶ高電圧が印加されたシンチレータ４３に吸引され、シンチレータ４３に衝突し、光を発生する。この光をライトガイド４４で光電子増倍管４５に導き、電気信号に変換し、増幅する。この出力でブラウン管の輝度変調を行う（図示せず）。
一方、反射電子検出部１１８では、二次電子検出部１０３を透過した反射電子１２４を反射板２９に衝突させて検出する。詳細には、反射電子１２４の衝突により反射板２９上で新たな二次電子１２３を生成し、この二次電子１２３を静電偏向電極３１ａ，３１ｂの作る偏向電界により偏向し、メッシュ状の静電偏向電極３１ｂを通過させる。これ以降の処理は先に述べた二次電子検出部１０３の処理と同じである。
（実施例１０）
電子顕微鏡による観察において試料が帯電すると、試料から放出される二次電子や反射電子の軌道が変化し、走査形電子顕微鏡像に異常コントラストが発生したり、ひどい歪みを生じるようになる。
これまで説明してきたリターディング法は、一次電子線のエネルギーを低く抑えることで帯電を抑制する技術であるが、低加速とは言え或る程度のエネルギーを持つ一次電子線を照射していることに変わりはなく、試料が帯電してしまうという問題がある。
本実施例装置はこの問題を解決して、試料の帯電による像障害を解消し得る走査形電子顕微鏡である。
本実施例の走査形電子顕微鏡は、試料の帯電を相殺するような電圧を試料に印加する機能を備えている。その具体的手段を以下に説明する。なお、本発明の理解を助けるために、本実施例の原理を適用しない走査形電子顕微鏡の構成と比較して説明する。
走査形電子顕微鏡の観察対象を半導体の試料とする。シリコンウエハの上に絶縁膜を作り、この上にさらにレジストあるいはシリコン酸化膜のパターンを低加速の走査形電子顕微鏡で観察すると試料表面に帯電が起こる。この帯電は時間的に変動するものでなく、加速電圧等に依存するある一定の正電圧に安定することが、発明者の実験により確認できた。但し、幾らの値で安定するかは不明である。
例えば、シリコンウエハ上に作られたレジストパターンでは数Ｖ程度であるが、シリコンウエハの上にシリコンの酸化膜が形成され、この上にレジストパターンが作られるような場合には、１０Ｖを超えるような帯電が発生する。後者のような帯電が起こる試料を、図１の装置で観察した場合に、第１検出器３４に信号が得られなくなったり、あるいは減少したりする場合がある。この帯電現象によって起こる問題は、信号が減少することばかりでなく、走査像の倍率も変化することである。半導体プロセスでは、半導体ウエハ内に作られたパターンの寸法を正確に測ることが必要で、帯電によって起こる寸法誤差を無視することはできない。
図１３を用いてこの問題をより具体的に説明する。この図では、説明に必要な試料１２の部分と第１検出器３４の部分のみを記述しており、図１と同じ構成については説明を省略する。
試料１２はシリコンウエハ６１の上に作られた絶縁物のパターン６２である。この絶縁物のパターン６２は一次電子ビーム７の照射により正に帯電する。この帯電の大きさ（電圧値）は一次電子ビーム７に試料１２への入射エネルギー等に依存する。
第１検出器３４の入口には、リターディング電圧１３の電圧が印加されたグリッド５５が設けられている。このためリターディング電圧５３と同電位の試料１２から放出された二次電子５０は第１検出器３４に入ることができるが、図１３のように正に帯電した二次電子５０は、図に示すように、第１検出器３４に入ることができずに戻されてしまうことになる。
図１４は、この問題を解決するための本発明実施例装置の概要を説明する図である。図１との違いは試料とリターディング電圧５３との間に表面補正電圧電源１２４（可変電圧印加手段）が設置されていることである。
図１５に開示されているように、試料１２とリターディング電圧電源５３との間に設けられる表面補正電圧電源６３によって、試料の帯電を打ち消すような電圧を印加し、適正な試料像が得られるようにこの電圧を調節すると良い。
この調節は図示しない試料像表示装置（ＣＲＴ等）を観察しつつ、操作者が手動で行うと良い。試料像のみを観察しただけでは、どの程度試料が帯電しているかの判断が難しいが、形成される試料像は検出器で得られる二次電子の量に依存して、像コントラストが変化するので、適当な調節により一番良い状態の試料像が得られる表面補正電圧を選択すれば良い。
なお、絶縁膜に覆われた試料１２を観察する場合、試料１２に帯電が起こり、第１検出器３４では、信号が検出できないことがある。第２検出器３５は反射電子を検出しているので、試料の帯電に関係なく観察できる。よって、観察場所等の確認は第２検出器３５で行うと良い。
（実施例１１）
つぎに表面補正電圧１２４を設定するための他の例を説明する。まず第１検出器３４の二次電子増倍管４５の出力をモニターしながら表面補正電圧１２４を徐々に上げて行く。ここで、二次電子増倍管に与える増倍電圧は、正常に観察されていたときの電圧値を与えておく。
図１６はこの操作により得られた表面補正電圧１２４と二次電子増倍管出力の関係である。試料１２の帯電電圧と等しい表面補正電圧１２４のときに最も大きな出力が得られる（矢印Ａ）。実際の装置では、このグラフを制御計算機のメモリー内に格納し、最大値になる（矢印Ａ）表面補正電圧に設定する。一般には、この設定操作は試料１２を交換した後に一回だけ実施すれば良く、同じウエハを観察しているかぎり再設定する必要はない。ただし、加速電圧や一次電子ビームの強度を変えた場合は、再設定が必要になる。
この設定では、二次電子増倍管に与える増倍電圧を、正常に観察されていたときの電圧値としたが、試料の観察には、この電圧をマニュアルまたは自動回路により最適の明るさとコントラストで観察できる感度に調節する。
なお、表面補正電圧電源を調節するために、二次電子増倍管４５の出力によって上下するレベルゲージ等を設けておくと良い。操作者はこのレベルゲージを確認しながら表面補正電圧電源を調節することで、適当な表面補正電圧の選択が可能になる。
図１７は前述した二次電子増倍管に与える増倍電圧を自動調整する回路である。
この回路では、出力１２５の平均値（明るさ）と像内の振幅（走査像のコントラスト）が予め決められた値になるように直流電圧の加減と増倍電圧の調整が行われる。二次電子増倍管４５の出力はプリアンプ１２６で増幅され、メインアンプ１２７に入力される。メインアンプ１２７の出力１２５の振幅は振幅検知回路１２８で検知し、設定値になるように増幅電圧１２９を制御する、また信号の平均値は平均値検出回路１３０で検出し、メインアンプ１２７の直流調整回路１３１により制御する。
明るさと振幅の設定値には、幾つかの選択肢があることは言うまでもない。この回路では、二次電子の入力がない場合は増倍電圧は最大値（電源設計のリミット）になる。この回路では、二次電子入力が大きくなると低くなるように働く。
図１８は、図１７の回路を図１４の第２検出器３５に用い、表面補正電圧１２４と増幅電圧１２９の関係を示したものである。矢印の表面補正電圧１２４で増倍電圧１２９が最小になり、二次電子入力の最大を示している。この方式では、調整電圧の決定と明るさとコントラストの調整が一度で実施される利点がある。
すでに述べた通り、調整電圧の決定は単に二次電子を高効率で検出するために必要なだけでなく、試料への入射エネルギー（加速電圧）を正しく決定し、倍率を決定する上でも必要である。
走査電子顕微鏡は、半導体にプロセスで加工部分の寸法測定に用いられている。この測定では、１％以下の精度が要求される。前述の例のように、２ｋＶの一次電子ビームが１．２ｋＶのリターディング電圧を受け、８００Ｖで試料に入射するとする。こので試料の表面に３０Ｖの帯電が起こったとする。この時の倍率の変化は３．７％になり、問題となる。本発明の方式を採用すると５Ｖ以下の精度で最適値を選択することができるため、１％（０．６）以下の倍率変化に押さえることが可能になる。
（実施例１２）
なおリターディングは、図５に示す例では、試料が配置されるホルダ１００と、制御電極２７にリターディング電圧を印加することによって行われる。このように構成することによって、ホルダ１００と制御電極２７の間にはリターディング電圧と同じ電位領域が形成されるため、その間に配置される試料１２にリターディング電圧を印加した場合と同じ状態にすることができる。
この手法は、例えば試料１２の表面が絶縁層に覆われているような場合に、試料にリターディング電圧を印加し得るものとして有効である。また試料が絶縁層に覆われていないような場合は、ホルダ１００の試料配置面に負電圧が印加できるようにすれば良い。また他にも以下に示すような減速電界形成手段が存在する。
図１９は、その１例を示す図である。この例では上磁極１３２、下磁極１３３に分割された対物レンズを採用し、下磁極１３３に試料１２と同様に、負電圧（図示せず）を印加することで減速電界を形成している。この下磁極１３３は、図５の例で説明した制御電極２７と同等の作用を持つ。
図２０は、減速電界形成手段の更に他の例を示す図である。この例の場合、正電圧が印加された加速円筒９と、試料１２との間に減速電界を形成し、当該減速電界（二次信号に対しては加速電界）で加速された二次信号を接地電位領域１３５で減速させる。この際、２次電子は、接地電位領域１３５で殆どエネルギを失う。このエネルギを失った２次電子を偏向電界形成手段（図示せず）で、一次電子線の軸外に導いて検出することで、２次電子を選択的に検出することができる。
以上、本発明の実施例は走査形電子顕微鏡として説明したが、本発明は電子線を照射して試料を観察する装置全般に適用可能であり、特に半導体デバイス上に形成されたパターンの幅を測長する測長ＳＥＭや、繰り返しパターンを相互比較して、パターンの加工不良などを検査するＳＥＭにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明実施例の走査形電子顕微鏡の構成を示す図である。図２は、二次電子を軸外に偏向させる第１検出器の構成を説明する図である。図３は、低エネルギーの二次電子を選択的に検出する構成を説明する図である。図４は、高エネルギーの二次電子を選択的に検出する構成を説明する図である。図５は、本発明の他の実施例である走査電子顕微鏡の構成図である。図６は、本発明の他の実施例である走査形電子顕微鏡の全体構成図である。図７は、図１の走査形電子顕微鏡の二次電子の検出原理を説明する図である。図８は、図６の走査形電子顕微鏡の二次電子の検出原理を説明する図である。図９は、本発明実施例の二次電子検出器の横断面図であり、二次電子をシンチレータ方向に偏向する電極構造を説明する図である。図１０は、本発明実施例の二次電子検出器の縦断面図であり、二次電子をシンチレータ中央部に収束する電極構造を説明する図である。図１１は、本発明実施例の二次電子検出器の縦断面図であり、二次電子をシンチレータ中央部に収束する電極構造を説明する図である。図１２は、二次信号検出器の一次電子の減速領域にバトラー形の電極を用いた例を示す図である。図１３は、試料の帯電で起こる問題（二次電子の不検出）を説明する図である。図１４は、本発明実施例のリターディングと後段加速を採用した低加速電圧走査顕微鏡本発明を示す図である。図１５は、表面補正電圧による問題の解決法を説明する図である。図１６は、表面補正電圧と二次電子増倍管出力の関係を説明する図である。図１７は、二次電子増倍管出力の明るさと振幅を自動的に制御する回路を説明する図である。図１８は、明るさと振幅を自動的に制御する回路を走査形電子顕微鏡に組み込んだときの表面補正電圧と二次電子増倍電圧の関係を説明する図である。図１９は、減速電界を形成するための他の手段を説明するための図である。図２０は、減速電界を形成するための他の手段を説明するための図である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１６】
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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１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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