(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次粒子線(2) を発生するソース(1)と、上記１次粒子線(2) を試験片(4) 上に集光させるための集光装置(3) と、上記ソース(1) と上記集光装置(3) の間に配置され上記試験片(4) より放出された後方散乱電子及び／又は２次電子(6) を検出するための検出装置(5) と、上記１次粒子線(2) を第１のエネルギからそれより高い第２のエネルギに加速するための加速装置(7) と、上記１次粒子線(2) を最終ビームエネルギに減速するための減速装置(8) と、を有する粒子線装置において、
上記検出装置(5) の直前に設けられ上記１次粒子線(2)を減速するための第１の付加装置(9) と、上記検出装置(5) の直後に設けられ上記１次粒子線(2) を加速するための第２の付加装置(10)と、を有することを特徴とする粒子線装置。
【請求項２】
上記検出装置(5) は上記１次粒子線のクロスオーバの領域に配置されていることを特徴とする請求項１記載の粒子線装置。
【請求項３】
上記第１の付加装置(9) は上記１次粒子線を上記第２のエネルギから上記最終ビームエネルギの領域のエネルギまで減速するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の粒子線装置。
【請求項４】
上記第２の付加装置(10)は再度上記１次粒子線を第３のエネルギまで加速するように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の粒子線装置。
【請求項５】
上記第１の付加装置と上記第２の付加装置の間の距離は、上記１次粒子線の方向に測って、３０ｍｍより小さいことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の粒子線装置。
【請求項６】
上記集光装置(3) は電界減速場対物レンズと磁気減速場対物レンズの組合せを含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の粒子線装置。
【請求項７】
上記検出装置(5) は環状検出器であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の粒子線装置。
【請求項８】
上記検出装置(5) はセグメント形検出器であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の粒子線装置。
【請求項９】
上記検出装置(5) は１又はそれ以上の方向の軸外れ検出器であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の粒子線装置。
【請求項１０】
上記第２のエネルギ及び／又は第３のエネルギは上記最終ビームエネルギより少なくとも３倍、高いことを特徴とする請求項４に記載の粒子線装置。
【請求項１１】
上記第２のエネルギ及び／又は第３のエネルギは上記最終ビームエネルギより少なくとも５倍、高いことを特徴とする請求項１０に記載の粒子線装置。
【請求項１２】
上記第２のエネルギ及び／又は第３のエネルギは少なくとも５ｋｅＶであることを特徴とする請求項４に記載の粒子線装置。
【請求項１３】
上記最終ビームエネルギは５ｋｅＶより低いことを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は請求項１の前提部に記載された粒子線装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は特に、低電圧を使用する走査型電子顕微鏡に関する。低電圧型電子顕微鏡は高感度の非導電性試験片の画像化において特に重要である。低電圧（典型的には５ｋｅＶ以下）を使用すると、エネルギの散逸量が少ないため、高感度の試験片が損傷されない。絶縁性試験片の場合には歪み及び妨害無しに画像化がなされる。それは、絶縁体は低エネルギ領域においては約１の２次電子生成を行うため、粒子線による露光の間、チャージング効果を回避し又は最小化することができるからである。従って、低電圧型電子顕微鏡は、半導体製造工程における寸法測定及びデバイス構造の検査等にとって極めて重要である。
【０００３】
現在、高解像度の低電圧型電子顕微鏡が上述の分野にて使用されている。欧州特許ＥＰ−Ｂ−０３３３０１８号に記載されている如き高性能電子顕微鏡は最終の対物レンズとして電界浸レンズと磁界浸レンズの組合せ使用する。界浸原理を使用することによって、１次ビーム路は高エネルギとなる。最終の低ビームエネルギは試験片の直前にある対物レンズによる減速によって生成される（欧州特許ＥＰ−Ｂ−０１８０７２３号）。このような中間ビーム加速の概念を使用することによって、ビームを拡げその結果解像度を減少させるコラム内の電子同士の相互作用が著しく減少する。
【０００４】
１次粒子によって試験片より放出される後方散乱電子及び／又は２次電子は対物レンズの前に配置された検出器によって検出される。インレンズ型又はプレレンズ型の検出器を配置することによって、試験片をレンズの近傍に配置することができる利点がある。そのため、対物レンズの作動距離が短くなり、それに対応して対物レンズの焦点距離が短くなる。短焦点距離によって対物レンズの色収差及び球面収差係数が低下する。これは低電圧の場合に光学的に高性能が得られることを意味する。
【０００５】
従来の高性能且つ低電圧型装置は良好な光学特性を示すが、米国特許第５７８０８５９号に記載されているように、電界減速レンズと磁気単極レンズの組合せを使用する対物レンズを利用することによって光学特性は更に改善される。しかしながら、これらの装置では２次電子の検出効率に欠点がある。２次電子は１次粒子のための減速場によって加速されるため、そのエネルギは高く１次電子のエネルギと同様である。その結果、その挙動は１次電子線の挙動と同様になる。従って、２次電子の検出は困難であり、効率的でない。従って、従来の解決法は、１次ビームが通るための小さな穴を有する共軸検出器（欧州特許ＥＰ−Ｂ−０３３３０１８号）又は１次電子線と２次電子線を分離する装置（米国特許第５４２２４８６号）を使用する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、請求項１の前提部に記載された粒子線装置において後方散乱電子及び２次電子の検出効率を改善することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、特許請求の範囲の請求項１の特徴部によって達成される。１次粒子線を検出装置の領域にて加速し減速するための第１及び第２の付加装置を利用することによって、様々な効率的な検出システムが使用される。なぜなら、後方散乱電子及び／又は２次電子は、検出器の領域にて、試験片の電位に近い電位が印加されることによって元のエネルギ分布まで減速されるからである。
【０００８】
好ましくは、検出器は１次ビーム路のクロスオーバに配置される。この場合、１次ビームの特性に対する第１及び第２の付加装置の光学的効果は重要でなく無視することができる。なぜなら、クロスオーバ内の又はその付近のレンズ又は光学要素はビームの特性に対して重要な効果を有さないからである。
【０００９】
更に、本発明の利点及び例は、実施の形態の説明及び図面を参照して以下に詳細に説明されよう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の粒子線装置の第１の例が図１に示されている。粒子線装置は基本的には１次粒子線２を発生するソース１と、１次粒子線２を試験片４上に集光させるための集光装置３と、ソース１と集光装置３の間に配置され試験片４より放出された後方散乱電子及び／又は２次電子６を検出するための検出装置５と、１次粒子線２を第１のエネルギからそれより高い第２のエネルギに加速するための加速装置７と、１次粒子線２を最終ビームエネルギに減速するための減速装置８と、を有する。
【００１１】
検出装置５はソース１と集光装置３の間に配置されている。本発明によると、更に、１次粒子線２を減速するための第１の付加装置９が検出装置５の直前に設けられ、１次粒子線２を加速するための第２の付加装置１０が検出装置５の直後に設けられている。
【００１２】
この粒子線装置は特に低電圧を使用する走査型電子顕微鏡に使用して好適である。
【００１３】
ソース１は例えば、電子銃１ａ、抽出器１ｂ及び陽極１ｃを含む。電子銃は好ましくは熱電界効果型エミッタ、冷陰極エミッタ又は光電陰極であってよい。陽極１ｃは又、加速装置７を構成している。
【００１４】
減速装置８は集光装置３内の界浸レンズによって構成されている。界浸レンズは少なくとも２つの電極３ａ、３ｂを含み、１次粒子の方向に第１の電極３ａは第２の電極３ｂより高い電位を有する。界浸レンズは１次粒子線のための減速場を生成する。
【００１５】
しかしながら、試験片４にて放出された後方散乱電子及び／又は２次電子６は、界浸レンズによって加速される。その結果、この２次電子は、界浸レンズを通過した後、１次粒子と略同一の高エネルギを有する。そのため、この２次電子を検出するのは困難である。しかしながら、本発明によると、検出装置５の領域にて１次粒子線を減速し加速する第１及び第２の付加装置が設けられている。従って、検出装置５は低エネルギ領域に配置されている。もし、検出器の領域に印加された電位が試験片にて印加された電位に対応するなら、後方散乱電子及び／又は２次電子は検出装置にて元のエネルギ分布、例えば、０から５０ｅＶまで減速されるであろう。１次粒子も又検出器の領域にて減速されるが、それでも未だ２次粒子のエネルギの数倍のエネルギを有する。その結果、２次粒子の検出のために２次粒子を１次粒子より分離するのは極めて容易である。
【００１６】
１次粒子線を減速し加速するための第１及び第２の付加装置は、どのような減速レンズ及び加速レンズによって生成されてもよい。最も簡単な場合は、同心穴よりなる又はグリッド電極によって形成された２つの電極レンズである。穴電極とグリッド電極を組みあわせても良い。更に、減速及び加速の効果を有する全ての要素、例えば、アインゼルレンズが信号検出の概念に使用され組み込まれてよい。
【００１７】
図１の例では、１次粒子線を減速するための付加装置９は穴電極９ａとライナ管９ｂの下端を含む。ライナ管９ｂは例えば、８ｋＶの電位を有してよく、穴電極９ａは接地電位を有する。１次粒子線を加速し２次粒子線を減速する第２の付加装置１０はグリッド電極１０ａとライナ管１０ｂの上端を含む。グリッド電極１０ａは、例えば、接地電位であるが、ライナ管１０ｂはライナ管９ｂと同一電位を有する。
【００１８】
図２に本発明の粒子線装置の第２の例を示す。この例は第１の例と比較して、検出装置５の領域にて、クロスオーバ（ビーム断面積の極小）を生成する付加レンズ１１、例えば、コンデンサレンズが設けられている点が異なる。これによって次のような利点が得られる。クロスオーバにおける又はクロスオーバ近くのレンズ等の光学的要素はビーム特性にどのような重要な影響も与えないために、１次粒子線の特性に対する付加装置９、１０の光学的影響は重要でなく無視することができる。
【００１９】
図３に示されている粒子線装置は集光装置３内に減速場を有さないが、集光装置３と試験片の間にて１次粒子線を最終ビームエネルギまで減速させることができる。集光装置３は高電位、例えば、８ｋＶの電極を有するが、試験片は接地電位である。しかしながら、試験片にバイアスをかけることによって減速を実行することも可能である。
【００２０】
図４に示す粒子線装置は、１次粒子線を最終ビームエネルギに減速するための界浸レンズ８を有し、これは２又はそれ以上の電極よりなる。集光装置３の磁気レンズは単極レンズとして試験片の背後に配置されている。
【００２１】
勿論、上述の例は更に他の構成要素、例えば、ビームの整合、スチグマチック結像、走査及び開口制限のための要素を有するが、それについては詳細に説明しない。
【００２２】
第２の付加装置１０は１次粒子線を再度第３のエネルギに加速するように構成されており、この第３のエネルギは第２のエネルギに対応してよい。第２の及び／又は第３のエネルギは最終エネルギより少なくとも３倍、好ましくは５倍高い。最終エネルギは好ましくは５ｋｅＶより低い。
【００２３】
基本的には、多くの種類の効率的な検出システムが使用される。図５には、中央に１次粒子線が通るための穴５ａを有する環状検出器５の底面図が示されている。図６には、セグメント型検出器５が開示されている。
【００２４】
しかしながら、１方向の軸外れ検出器（図７）、２方向の軸外れ検出器（図８）又はより高次方向の軸外れ検出器を備えることも可能である。軸外れ検出器はウィーンフィルタを使用することによって支持されることができる。ウィーンフィルタは図７に示すように交差する電界偏向場と磁界偏向場よりなり、１次粒子線を妨害しないが後方散乱電子及び２次電子を軸外れ検出器に偏向させる。もし２次ビーム粒子を２つの軸外れ検出器に分割すべきであるなら、４極のウィーンフィルタを使用することができる。
【００２５】
この検出器の領域の付加的な利点は、フィルタ電極１２がこの領域に配置されることができることである。図７は検出器５の前方にフィルタ電極１２が設けられた例を示し、図８は軸上フィルタ電極１２を示す。これらのフィルタ電極は信号電子（後方散乱電子及び／又は２次電子）をエネルギ選択的に検出するために使用されることができる。勿論、軸上（オンアキシャル）検出器、軸外れ検出器及び／又は付加的なフィルタ電極を組み合わせることもできる。これらは価値ある信号を供給するが、この信号は単独で又は組み合わせて、画像分析のために使用される。
【００２６】
１次粒子線を減速し加速する第１及び第２の付加装置の間の距離は、１次粒子線の方向に測って、３０ｍｍより小さい。
【００２７】
殆どの１次ビーム路は高エネルギレベルにあるため、１次粒子線に対して高い光学特性が期待される。更に、プリレンズ検出器を配置することによって短焦点距離及び低収差係数を提供することができる。検出装置の領域を低エネルギレベルにすることによって、後方散乱電子及び／又は２次電子に対する高検出効率がを期待される。本発明の装置は試験片の穴（例えば、半導体技術における接触穴）の底から信号を捕らえるために特に有用である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によると、粒子線装置において、検出装置の領域を低エネルギレベルにすることによって、後方散乱電子及び／又は２次電子の検出効率を高くすることができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による粒子線装置の第１の例の概略図である。
【図２】本発明による粒子線装置の第２の例の概略図である。
【図３】本発明による粒子線装置の第３の例の概略図である。
【図４】本発明による粒子線装置の第４の例の概略図である。
【図５】本発明による粒子線装置の第１の例の検出装置の底面図である。
【図６】本発明による粒子線装置の第２の例の検出装置の底面図である。
【図７】本発明による粒子線装置の第３の例の検出装置の概略図である。
【図８】本発明による粒子線装置の第４の例の検出装置の概略図である。
【符号の説明】
１…ソース、  １ａ…電子銃、  １ｂ…抽出器、  １ｃ…陽極、  ２…１次粒子線、  ３…集光装置、  ３ａ，３ｂ…電極、  ４…試験片、  ５…検出装置、  ５ａ…穴、  ６…後方散乱電子及び／又は２次電子、  ７…加速装置、  ８…減速装置、  ９…付加装置、  ９ａ…穴電極、  ９ｂ…ライナ管、  １０…付加装置、  １０ａ…グリッド電極、  １０ｂ…ライナ管、  １２…フィルタ電極
【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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