(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験片から放出された後方散乱電子を検出するための電子検出器であって、
(a)  後方散乱電子を収集するための入射面を有し、該入射面の非動作領域に後方散乱電子が衝突した時に第１のタイプの２次電子を放出し、前記第１のタイプの２次電子は前記入射面から離れる軌道を有する電子増倍器と、
(b)  前記電子増倍器と前記試験片の間に配置され、前記試験片によって放出された低エネルギーの２次電子が前記電子増倍器へ到達することを阻止しつつ、前記電子増倍器に向けて試験片から放出された高エネルギーの後方散乱電子が通過することを可能にするような第１の電界を生成するように前記試験片に対してマイナスの電位にバイアスされる第１電極と、
(c)  前記電子増倍器と前記第１電極の間に配置され、前記入射面に対してマイナスの電位にバイアスされ、且つ、前記第１のタイプの２次電子の軌道を前記入射面に向けて実質的に反転させ、前記入射面が前記第１のタイプの２次電子を収集することが出来るように第２の電界を生成するような距離に前記入射面から離隔されている第２電極とを具備することを特徴とする電子検出器。
【請求項２】
前記第１電極は、環状であり、且つ、前記電子増倍器に到達させるための所定の立体角度の後方散乱電子を通過させる開口部を備えている請求項１に記載の電子検出器。
【請求項３】
前記第２電極は、環状であり、且つ、前記電子増倍器に到達させるための所定の立体角度の後方散乱電子を通過させる開口部を備えている請求項１に記載の電子検出器。
【請求項４】
前記第２電極と試験片の間に配置され、かつ前記第１の電界及び前記第２の電界から前記試験片を電気的に遮蔽するように構成される第３電極を更に具備する請求項１に記載の電子検出器。
【請求項５】
前記試験片に向かう粒子ビームの通路のためのビーム遮蔽管を更に具備し、該ビーム遮蔽管は、該ビーム遮蔽管へ後方散乱電子が衝突した時に第２のタイプの２次電子を放出し、前記第２のタイプの２次電子は前記ビーム遮蔽管から離れる軌道を有し、前記第２の電界は、前記入射面が前記第２のタイプの２次電子をも収集するように前記第２のタイプの２次電子の軌道を実質的に前記入射面へ反転する、請求項１に記載の電子検出器。
【請求項６】
前記ビーム遮蔽管は、前記試験片の表面に対して斜めに配置される表面を有する請求項５に記載の電子検出器。
【請求項７】
前記ビーム遮蔽管は１より大きい２次電子放出係数を有する材料から製作されている請求項５に記載の電子検出器。
【請求項８】
試験片から放出された後方散乱電子を検出するための請求項１に記載される電子検出器を包含する粒子ビーム装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電子検出器、特に、後方散乱電子の収集検出を行う電子増倍検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
走査型電子顕微鏡、電子ビーム・リソグラフ装置、イオン・ビーム・リソグラフ装置などのような、粒子ビーム装置は、広範囲の分野で用いられている。原則的には、粒子ビーム装置は加速された粒子ビームで試験片の表面を走査する。試験片の表面に対して粒子ビームが衝突することにより電子が放出される。今日受け入れられている命名法に従って50eVを越えるエネルギーで放出された電子は後方散乱電子(BSE)と呼ばれ、50eV以下のエネルギーで放出された電子は２次電子(SE)と呼ばれる。約1000eVの粒子ビームの場合、典型的には、放出された電子は後方散乱電子と２次電子の間に等しく分けられる。
【０００３】
後方散乱電子は材料に対比される情報を含んでいるが、２次電子は表面形状に関する情報を含んでいることが知られている。後方散乱電子の収集検出能が大きいことが要求される粒子ビーム装置に特有の応用例としては、半導体材料の深い溝やコンタクト・ホールの底部などを観察するVLSI装置の検査がある。
後方散乱電子を検出する初期の電子検出器は、L. Reimer著、"Image Formation in Low Voltage Scanning Electron Microscopy", SPIE Optical Engineering Press, Bellingham, Washington, USA, 1993年刊、31〜41頁に記載されているので、ここでの説明は省略する。概して、電子検出器は、後方散乱電子を吸収し２次電子を放出する変換プレートを含んでおり、これら２次電子は、Everhart-Thornley型のシンチレータ検出器によって検出される。典型的には、これらの電子検出器ではシンチレータが5〜10kVの電位に保持されるので、ビームが大きく軌道を外れることを防止するために、検出器は、粒子ビームから離れた位置に置くことが要求され、したがって、後方散乱電子の収集検出能(Backscattered Acceptance)は限られたものとなる。ここで、後方散乱電子の収集検出能(Backscattered Acceptance)とは、電子検出器に到達し捕獲（検出）される後方散乱電子の全検出効率、すなわち、全後方散乱電子のうち、どれだけのものが電子検出器に到達し捕獲（検出）されるかを示すものである。
【０００４】
試験片からの後方散乱電子を検出する最近の電子検出器は、マイクロチャンネル・プレート電子増倍器またはソリッド・ステート電子増倍器として製作された電子検出器を用いている。このような電子検出器を含む装置は、発明者Leeの米国特許番号4,933,552号、"Inspection System Utilizing Retarding Field Back Scattered Electron collection" に開示されているので、ここでの説明は省略する。ここで、粒子ビームは柱状に、１枚のバイアス・プレートと環状の検出器を通って試験片に向けられており、試験片は、これらバイアス・プレートと検出器に対してマイナス・バイアスに保持されている。マイナス・バイアスは、試験片が充電されることを最小限に抑えるために、入射ビームが、いわゆる、クロスオーバー・エネルギーで試験片に衝突するように選択される。このクロスオーバー・エネルギーでは、入射ビームから試験片に入る電子の数と試験片から放出される電子の数とが等しくなるので、試験片の充電が最小になる。マイナス・バイアスは、検出器平面で大きな横方向速度成分を有する後方散乱電子と２次電子の間を空間に分離するためにも有効である。
【０００５】
この構成には２つの主な欠点がある。第１に、粒子ビームが試験片に対して垂直に入射した場合、横方向速度成分の小さい後方散乱電子は総後方散乱電子放出量のかなりの部分になるが、上記の検出器では、横方向速度成分の小さい後方散乱電子の収集検出能は低い。実際に、この場合、試験片から放出された後方散乱電子の横方向速度成分の分布のピーク値は横方向速度ゼロの位置になる。第２に、実際に、高い絶縁性を有する試験片を荷電粒子ビームで走査しながら、その試験片を均一のマイナス電位に維持することは難しい。マイクロチャンネル・プレート電子増倍器またはソリッド・ステート電子増倍器を活用する他の具体的な事例は、Michael T. Postek & William J. Keery共著、"Low-profile high efficiency microchannel plate detector system for scanning electron microscopy application", Review of Scientific Instruments, vol. 61, no. 6, 1990年6月発行、1648 -1657頁に説明されているので、ここでの説明は省略する。ここで、粒子ビームは、軌道を外れることを防止するために、試験片に至る途中ではビーム遮蔽管の中を通る。従って、ビームの焦点はビーム遮蔽管の真下になる。後方散乱電子検出器として用いられる時に、電子増倍器の表面は、通常は接地された試験片に対して-50V以下の電位に保持される。
【０００６】
この構成も数多くの理由のために後方散乱電子の収集検出能が低い。第１に、電子増倍器は、其れ自体の電位より高いエネルギーの後方散乱電子を検出するのみである。第２に、以下においてタイプAの後方散乱電子と称する、数多くの後方散乱電子は、それらが電子増倍器のアクティブ・チャンネルとアクティブ・チャンネルの間の領域に衝突するので検出されないことである。典型的には、電子増倍器の入射面は、電子を捕獲し検出することが出来るアクティブな領域(active areas)と、電子が入射しても、そこでは電子を検出出来ない非動作領域(inactive areas)とからなり、この非動作領域に後方散乱電子が衝突しても、そこでは検出出来ない。更に、以下においてタイプBの後方散乱電子と称する、より少ない数の後方散乱電子も、それらがビーム遮蔽管に衝突するために検出されないことである。
【０００７】
これらの検出されない後方散乱電子は、それらが総後方散乱電子量のかなりのパーセンテージを占めているので、電子検出器によって得られる画像の品質をかなり悪化させる。J. A. Panitz & A. Foesch共著、"Areal detection efficiency of channel electron multiplier arrays", Review of Scientific Instruments, vol. 47, no. 1, 1976年1月発行に説明されているように、マイクロチャンネル・プレート電子増倍器の面積的な検出効率（Areal Detection Efficiency, マイクロチャンネル・プレート電子増倍器の入射面全体の面積と、電子を検出する上で有効（アクティブ）な面積の比）は一般に僅かに約60%である。従って、タイプAの後方散乱電子は、後方散乱電子の約40%を占めている。タイプBの後方散乱電子は通常は、より僅かであるが、それらは、試験片から放出される電子が特に粒子ビーム軸に沿って進むような応用においては、タイプBの後方散乱電子が後方散乱電子の大部分を占めることがしばしばある。
【０００８】
従って、前述の欠点が無く、後方散乱電子収集検出能の大きい電子検出器が必要になる。
本発明の主な目的は、後方散乱電子の収集検出能（全検出効率）の大きい、言い換えれば、後方散乱電子を出来る限り多く収集して検出することが出来る電子検出器を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明の基本構成によれば、試験片から放出された後方散乱電子を検出するための電子検出器であって、(a) 後方散乱電子を収集するための入射面を有し、該入射面の非動作領域に後方散乱電子が衝突した時に第１のタイプの２次電子を放出し、前記第１のタイプの２次電子は前記入射面から離れる軌道を有する電子増倍器と、(b) 前記電子増倍器と前記試験片の間に配置され、前記試験片によって放出された低エネルギーの２次電子が前記電子増倍器へ到達することを阻止しつつ、前記電子増倍器に向けて試験片から放出された高エネルギーの後方散乱電子が通過することを可能にするような第１の電界を生成するように前記試験片に対してマイナスの電位にバイアスされる第１電極と、(c) 前記電子増倍器と前記第１電極の間に配置され、前記入射面に対してマイナスの電位にバイアスされ、且つ、前記第１のタイプの２次電子の軌道を前記入射面に向けて実質的に反転させ、前記入射面が前記第１のタイプの２次電子を収集することが出来るように第２の電界を生成するような距離に前記入射面から離隔されている第２電極とを具備する電子検出器が提供される。
【００１０】
以上の構成により、試験片から放出された後方散乱電子が電子増倍器の入射面に衝突した時に放出された、第１のタイプの２次電子は、上記の第２の電界によって、その軌道が電子増倍器の入射面に向かうように反転され、結局、電子増倍器によって検出される。したがって、電子増倍器の入射面の非動作領域に衝突して第１のタイプの２次電子を放出させた後方散乱電子も電子増倍器の検出の対象となり得、後方散乱電子の収集能力（全検出効率）を増加させる。
【００１１】
本発明の第１の形態によれば、前記第１電極と前記第２電極は、前記電子増倍器と試験片の間に配置される単一の電極に置き換えられ、前記単一の電極は、前記第１および第２の電界を生成するように、前記入射面と試験片に対してマイナスの電位にバイアスされ、且つ、前記入射面から離隔されている。
本発明の第２の形態によれば、第１電極は、環状であり、且つ、電子増倍器に到達させるための所定の立体角度の後方散乱電子を通過させる開口部を備えている。
【００１２】
本発明の第３の形態によれば、第２電極は、環状であり、且つ、電子増倍器に到達させるための所定の立体角度の後方散乱電子を通過させる開口部を備えている。
本発明の第４の形態によれば、電子検出器は、第２電極と試験片の間に配置され、当該電子検出器のためのファラデー箱として機能するような電位にある第３電極を更に具備している。これにより、上記の電界が、試験片に不都合な影響を及ぼすことを防止する。
【００１３】
本発明の第５の形態によれば、電子検出器は、前記試験片に向かう粒子ビームの通路のためのビーム遮蔽管を更に具備し、該ビーム遮蔽管は、該ビーム遮蔽管へ後方散乱電子が衝突した時に第２のタイプの２次電子を放出し、前記第２のタイプの２次電子は前記ビーム遮蔽管から離れる軌道を有し、前記第２の電界は、前記入射面に向かう前記第２のタイプの２次電子の軌道を実質的に反転することにより前記入射面が前記第２のタイプの２次電子をも収集するように生成される。
【００１４】
これにより、試験片から放出された後方散乱電子がビーム遮蔽管に衝突した時に放出された、第２のタイプの２次電子も、上記の第２の電界によって、その軌道が電子増倍器の入射面に向かうように反転され、結局、電子増倍器によって検出される。したがって、ビーム遮蔽管に衝突して第２のタイプの２次電子を放出させた後方散乱電子も電子増倍器の検出の対象となり得、後方散乱電子の収集能力（全検出効率）を更に増加させる。
【００１５】
本発明の第６の形態によれば、ビーム遮蔽管は斜めの端面を有する。これにより、２次電子の Lambertain 角度分布の最大量が電子増倍器の方向に向けて傾けられるので、後方散乱電子の収集能力（全検出効率）を更に増加させる。
本発明の第７の形態によれば、ビーム遮蔽管は１より大きい２次電子放出係数を有する材料から製作されている。
【００１６】
本発明の第８の形態によれば、試験片から放出された後方散乱電子を検出するための上記の本発明の基本構成による電子検出器を、粒子ビーム装置が包含している。
【００１７】
【実施例】
図１は、粒子ビーム装置のオプティカル・コラム(optical column)の外部に配置されている、後方散乱電子の収集検出能（全検出効率）の大きい電子検出器の第１実施例の概略図である。図１において、100は本発明の電子検出器であって、粒子ビーム装置から放射される粒子ビームPBが試験片102に入射されることにより試験片102から放出される後方散乱電子を検出するものである。図示される構成に於いて、電子検出器100は粒子ビーム装置の外部に配置されているが、後述する図８に図示される構成では、電子検出器100は粒子ビーム装置のオプティカル・コラム(optical column)104の内部に配置されている。原理的に、粒子ビーム装置は、試験片102の上側表面SSを観察するために、典型的には200eVより大きいエネルギーを有する粒子ビームPBを与える。粒子ビームPBは、試験片102の表面SSに衝突して、そこから電子が放出されるようにする。放出された電子は、０から粒子ビームPBの運動エネルギーの範囲のエネルギーを有している。今日受け入れられている命名法に従い、50eVを越えるエネルギーで放出された電子は後方散乱電子(BSE)と称されるが、50eV以下のエネルギーで放出された電子は２次電子(SE)と称される。
【００１８】
電子検出器100は、後方散乱電子を捕獲するための入射面108を備えた一般に環状の電子増倍器106と、電子増倍器106を通り、入射面108の前部より更に前方まで伸びているビーム遮蔽管110とを具備する。ビーム遮蔽管110は、粒子ビーム装置104から試験片102に向かう途中で粒子ビームPBの軌道がずれることを防ぐために設けられている。電子増倍器106は、マイクロチャンネル電子増倍器、ソリッド・ステート電子増倍器等として製作できる。
【００１９】
本発明の特徴は、電子検出器100が、或るしきい値を越える電子だけ、言い換えれば、後方散乱電子だけが電子増倍器106に到達するように、試験片102から放出された２次電子を阻止するためのエネルギー・フィルタを具備することにある。このエネルギー・フィルタは、試験片102に対してマイナスの電位にバイアスされた一般に環状の電極112を設け、その開口部114の中心と試験片102の間の電位差が-50V以下になるようにすると、最も効果的に達成される。
【００２０】
更に、本発明の電子検出器100の目的に従って、電子検出器100は、それらの衝突で電子増倍器106の入射面108において直接に捕獲された後方散乱電子だけでなく、直接捕獲されない後方散乱電子も検出する。これらの後方散乱電子は次に示すように２つに分類される。すなわち、第１に、電子増倍器106の入射面108の非動作領域(inactive areas)に衝突する後方散乱電子であり、タイプAの後方散乱電子と称するものである。そして、第２に、ビーム遮蔽管1１0に衝突する後方散乱電子であり、タイプBの後方散乱電子と称するものである。
【００２１】
こうして、電子検出器100は、実際に、タイプAの後方散乱電子が入射面108に衝突する時に放出される、SE-Aで示す低いエネルギーの２次電子と、タイプBの後方散乱電子がビーム遮蔽管110と衝突する時に放出されるSE-Bで示す、低いエネルギーの２次電子を検出する。これらの２次電子SE-AおよびSE-Bは共に入射面108から離れる軌道を有するので、入射面108におけるこれらの２次電子SE-AおよびSE-Bの捕獲は、図２および図３にそれぞれ示されるように、それらの軌道が入射面108に向かうように実質的に軌道を反転する電界を与える必要がある。
【００２２】
このような電界は、開口部118を備え、入射面108と電極112の間に配置されている、一般に環状の電極116によって最も効果的に与えられ、この電界を生成するために次のような電位が与えられる。第１に、電子増倍器106の入射面108は電極116に対してプラスの電位にバイアスされることが要求される。好適には、第２に、電子増倍器106の入射面108は、ビーム遮蔽管110に対してプラスの電位にバイアスされる。更に、好適には、第３に、ビーム遮蔽管110は、電極116に対して実質的に同じ電位またはプラスの電位にバイアスされる。電子増倍器106の入射面108は、試験片102に対して、プラスの電位にも、試験片102と実質的に同じ電位にも、または、試験片102に対してマイナスの電位にもバイアスできることに注意すべきである。
【００２３】
図４は、本発明の考えに従って図１の電子検出器の内部における代表的な電位分布を示す図である。図４には、説明のために、一方で、試験片102から放出された２次電子の阻止を、そして、他方では、２次電子SE-AとSE-Bの軌道の反転を行う、電子検出器100の内部に広がる電界を、次に示すような代表的な電圧について図示している。すなわち、電極112は-110Vの電圧であり、電子増倍器106の入射面108は+150Vの電圧であり、試験片102の表面SS、ビーム遮蔽管110、および、電極116は0Vの電圧である。前述のように、要求される電界を達成するために、電圧と電圧差を広範囲に取ることができることは、当業者にとって容易に理解されることと考えられる。
【００２４】
本発明の更なる特徴は、電極112または電極116の何れかは、それらの開口部114または118の直径を、予め設定された立体角度の後方散乱電子だけが開口部114または118を通過して電子増倍器106に達することができるように選択することによって、空間フィルタとして使用できることにある。なお、一般に数百電子ボルトのエネルギーを有する後方散乱電子の軌道は、それらが電極112と116を通る時に殆ど曲げられない。
【００２５】
本発明の更なる特徴は、ビーム遮蔽管110の適切な設計によって、タイプBの後方散乱電子を検出できる確率が大幅に増加することにある。特に、ビーム遮蔽管110上にタイプBの後方散乱電子が衝突することによる２次電子の放出は、ビーム遮蔽管110の末端を斜めにし(bevel)、２次電子のLambertain角度分布の最大量が電子増倍器106の方向に向くように傾けることによって増加される。更に、ビーム遮蔽管110は、１より大きい２次電子放出係数を有する材料から製作できる。このような材料は、光電子増倍器素子に関連して幅広く研究されており、L. Martin編, "Advances in Electronics", vol.   , Academic Press Inc., NEW York, NY 1948年刊の65〜130頁, Kenneth G. McKay著, "Secondary Electron Emission"に詳細に説明されているので、ここでの説明は省略する。
【００２６】
次に、図５および図６を参照する。図５は、第２実施例の概略図である。図５では、本発明の電子検出器の第２実施例は、120で示している。図５の電子検出器120は、構造と動作に於いて、前述の第１実施例の電子検出器100と類似しているので、同様の構成要素には同じ番号が付記されている。第２実施例の電子検出器120と第１実施例の電子検出器100との主な違いは、電子検出器120は、電極112および116に代えて、単一の電極122を用いることにある。
【００２７】
一方で、試験片102から放出された２次電子の阻止を、他方で、２次電子SE-AとSE-Bの軌道の実質的な反転を行う、電子検出器120の内部に広がる電界が次に示す代表的な電圧について図示されている。すなわち、電極122は-150Vの電圧であり、電子増倍器106の入射面108は+150Vの電圧であり、試験片102の表面SSとビーム遮蔽管110は0Vの電圧である。前述のように、要求される電界を達成するために、電圧と電圧差を広範囲に取ることができることは、当業者にとって容易に理解されることと考えられる。
【００２８】
或る応用においては、電子検出器100の内部の電界によって試験片が影響を受けることを防止するために特に注意が必要である。上記のような電界は試験片102または粒子ビーム装置の他の検出器の機能に不具合な影響を及ぼす可能性がある。試験片102の遮蔽は、典型的には試験片102と殆ど同じ電位に保持され、ファラデー箱として作用して電界を電子検出器100内部に閉じ込める電極124を与えることによって図７に図示されるように実現できる。
【００２９】
前述のように、図８は、粒子ビーム装置のオプティカル・コラム(optical column)内部に電子検出器100が配置されている第２の構成を示している。この場合、電子検出器100のそれぞれの構成要素の電位はオプティカル・コラム(optical column)の共通電位に関係している。この構成と図１に示される構成との主な違いは、電磁レンズＥＬは、試験片102から放出された２次電子を電子検出器100に向けて加速し、それら２次電子の運動エネルギーを数千電子ボルト増加することによって、それら２次電子が電子検出器100に達する時までには、それらは後方散乱電子のように振舞うことにある。従って、この電子検出器100の構成は後方散乱電子および２次電子両者の高い収集検出能を与える。
【００３０】
【発明の効果】
後方散乱電子の収集検出能（全検出効率）の大きい、言い換えれば、後方散乱電子を出来る限り多く収集して検出することが出来る電子検出器を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】粒子ビーム装置のオプティカル・コラム(optical column)の外部に配置されている構成の、後方散乱電子の収集検出能（全検出効率）の大きい電子検出器の第１実施例の概略図である。
【図２】電子増倍器の入射面の非動作領域(inactive areas)に衝突するタイプAの後方散乱電子によって生成される２次電子の軌道が、電子検出器の内部に広がる電界によって、電子増倍器の入射面の方向に反転される様子を示す図である。
【図３】電子検出器のビーム遮蔽管に衝突するタイプBの後方散乱電子によって生成される２次電子の軌道が、電子検出器の内部に広がる電界によって、電子増倍器の入射面の方向に反転される様子を示す図である。
【図４】本発明の考えに従って図１の電子検出器の内部における代表的な電位分布を示す図である。
【図５】粒子ビーム装置のオプティカル・コラム(optical column)の外部に電子検出器が配置されている構成の第２実施例の概略図である。
【図６】本発明の考えに従って図５の電子検出器の内部に広がる代表的な電位を示す図である。
【図７】電子検出器の第１の電極によって生成された電界から試験片を遮蔽するための第３の電極を含んでいる電子検出器の概略図である。
【図８】粒子ビーム装置のオプティカル・コラム(optical column)の内部に電子検出器が配置されている構成の概略図である。
【符号の説明】
100, 120…電子検出器
102…試験片
104…粒子ビーム装置のオプティカル・コラム
106…電子増倍器
108…入射面
110…ビーム遮蔽管
112, 116, 124…電極
114, 118…開口部
【図１】
0003836519.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003836519.tif 000006
【図６】
0003836519.tif 000007
【図７】
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【図８】
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