DE112021004532T5 - Ladungsträgerstrahlvorrichtung und Probenbeobachtungsverfahren - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung überwindet einen Kompromiss zwischen Durchsatz, SNR und räumlicher Auflösung in einer Ladungsträgerstrahlvorrichtung. Dementsprechend stellt ein Computer 18 ein optisches System für Ladungsträger und/oder ein Detektionssystem so ein, dass die Intensität der Signalladungsträger oder einer elektromagnetischen Welle, die durch einen Detektor 12 detektiert wird, mit einer vorgeschriebenen Frequenz moduliert wird. Das optische System für Ladungsträger tastet eine Probe mit einem Ladungsträgerstrahl ab. Der Computer 18 erzeugt ein Bild oder ein Signalprofil durch Zuordnen einer Bestrahlungsposition des Ladungsträgerstrahls zu einer Gleichstromkomponente eines Signals, das durch synchrone Detektion eines Detektionssignals aus dem Detektor an der Bestrahlungsposition mit einem Referenzsignal mit einer vorgeschriebenen Frequenz erfasst wird.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung und ein Probenbeobachtungsverfahren unter Verwendung der Ladungsträgerstrahlvorrichtung.
• Stand der Technik
• Beispiele für eine abtastende Ladungsträgerstrahlvorrichtung enthalten ein Rasterelektronenmikroskop (SEM). Im SEM werden die aus einer Elektronenquelle extrahierten Elektronen durch eine Linse auf eine Probe fokussiert und die Menge der in der Nähe der Probenoberfläche erzeugten rückgestreuten Elektronen oder die Menge der in der Probe erzeugten Sekundärelektronen wird detektiert, um ein Beobachtungsbild der Probe zu erzeugen. Die rückgestreuten Elektronen oder die von der Probe emittierten Sekundärelektronen werden durch einen Elektronenvervielfacher direkt detektiert oder durch einen Lichtemitter (Szintillator) in Licht umgesetzt und das umgesetzte Licht wird durch einen Photodetektor, z. B. eine Photovervielfacherröhre, eine CCD oder einen CMOS detektiert. In dem letztgenannten Detektionsverfahren entspricht die aus dem Szintillator pro Bestrahlungsposition eines Elektronenstrahls emittierte Lichtmenge der Menge der rückgestreuten Elektronen oder der Menge der Sekundärelektronen und die Helligkeit eines Pixels wird in Abhängigkeit von der Lichtmenge an jeder der Bestrahlungspositionen in einer zweidimensionalen Ebene bestimmt, so dass ein SEM-Bild erzeugt werden kann.
• Eines der Anwendungsgebiete des SEM ist die Defektprüfung oder die Dimensionsprüfung einer Halbleiterstruktur und in den letzten Jahren ist der Durchsatz als Werkzeugleistung des auf diesen Gebieten verwendeten SEM wichtig. In der Halbleiterfertigung der letzten Zeit wurde die Strukturgröße durch die Belichtung mit extremem ultraviolettem Licht auf einige Nanometer reduziert, und die Strukturdichte pro Flächeneinheit hat sich jedes Jahr erhöht. Daher können aufgrund der Prüfung der Struktur oder einer Erhöhung der Anzahl der Messpunkte bei einer Prüf- und Messgeschwindigkeit des Standes der Technik mehrere Tage bis zu mehreren zehn Tagen erforderlich sein. Daher ist es wünschenswert, den Durchsatz bei der Prüfung und Messung der Halbleiterstruktur durch das SEM erheblich zu erhöhen. Ferner ist es, um eine Beschädigung oder Verformung der Probe durch die Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl zu vermeiden, zusätzlich zum Verbessern des Durchsatzes wünschenswert, die Intensität des Bestrahlungsstroms so weit wie möglich zu minimieren, und es ist notwendig, die räumliche Auflösung zur Beobachtung der feinen Struktur auf dem aktuellen Niveau zu halten.
• JP2018-137160A (PTL 1) offenbart ein Elektronenmikroskop, das eine Probe mit einem gepulsten Elektronenstrahl bestrahlt. JP2O16-189332A (PTL 2) offenbart eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung, die eine nicht durch Bestrahlung mit einem Ladungsträgerstrahl erzeugte Ausgabe, das heißt Rauschen, durch Modulieren der Bestrahlungsbedingungen des Ladungsträgerstrahls und Detektieren nur eines Signals, das mit einer Modulationsperiode übereinstimmt, entfernt. JPH05-275045A (PTL 3) offenbart, dass eine Änderung der Menge der erzeugten rückgestreuten Elektronen als Gleichstromsignal extrahiert wird, indem eine Probe mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird, während sich die Energie der einfallenden Elektronen ändert, so dass die Ausgabe eines Detektors für rückgestreute Elektronen detektiert und synchron mit der Änderung der Energie der einfallenden Elektronen gleichgerichtet wird.
• Entgegenhaltungsliste
• Patentliteratur
• PTL 1: JP2018-137160A
• PTL 2: JP2O16-189332A
• PTL 3: JPHO5-275045A
• Zusammenfassung der Erfindung
• Technische Aufgabe
• Wenn die Stärke des Bestrahlungsstroms abnimmt, verringert sich im Allgemeinen das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) eines Bildes und es wird nur ein unscharfes Bild erhalten. In diesem Fall kann als ein allgemeines Verfahren das SNR durch mehrfaches Abtasten derselben Position und Integrieren der aus jeder der Positionen erhaltenen Signale verbessert werden. Das Verfahren zum mehrfachen Abtasten derselben Position und Integrieren der Signale, um das SNR zu verbessern, führt jedoch zu einer Verringerung des Durchsatzes. Andererseits ist das Erhöhen der Stärke des Bestrahlungsstroms ein Verfahren, das im Allgemeinen eingesetzt wird, um die Anzahl der Integrationsvorgänge zu reduzieren. Bei diesem Verfahren kann jedoch eine Beschädigung oder Verformung der feinen Struktur auf der Probe aufgrund der Bestrahlung mit einem Elektronenstrahl auftreten, wie vorstehend beschrieben. Beispiele für Schäden enthalten Verformung oder Bruch der Probe, die durch Wärme, eine chemische Reaktion oder die Aufladung aufgrund der Bestrahlung mit hochenergetischen Ladungsträgern verursacht werden. Ferner führt eine Erhöhung der Stärke des Bestrahlungsstroms zu einer Verringerung der räumlichen Auflösung. Der Grund dafür ist, dass mit zunehmender Stärke des Bestrahlungsstroms die Energiebreite eines Ladungsträgerstrahls aufgrund des Raumladungseffekts zunimmt und ein optisches System für Ladungsträger aufgrund einer Zunahme des Fokussierungswinkels des Ladungsträgerstrahls von optimalen Bedingungen abweicht, so dass die Aberration zunimmt.
• Auf diese Weise ist eine Kompromissbeziehung zwischen den drei grundlegenden Leistungen des SEM, die den Durchsatz, das SNR und die räumliche Auflösung enthalten, vorhanden, und es ist schwierig, die drei Leistungen mit dem SEM des Standes der Technik gleichzeitig zu verbessern.
• Das in PTL 1 offenbarte Elektronenmikroskop hat mit einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gemeinsam, dass eine Probe mit einem gepulsten Elektronenstrahl bestrahlt wird. PTL 1 zielt jedoch darauf ab, die Genauigkeit eines Spannungskontrastbildes der Probe zu erhöhen, und zielt anders als die vorliegende Offenbarung nicht darauf ab, die drei grundlegenden Leistungen des SEM, die den Durchsatz, das SNR und die räumliche Auflösung enthalten, gleichzeitig zu verbessern.
• Ferner haben PTL 2 und PTL 3 mit der vorliegenden Offenbarung gemeinsam, dass die synchrone Detektion angewendet wird, um Rauschen zu entfernen. Wenn jedoch eine Variation der Phasendifferenz zwischen den Signalen, die synchron detektiert werden, oder eine Variation der Phasendifferenz zwischen einem Detektionssignal und einem Abtastsignal während der digitalen Abtastung des Detektionssignals aus einem Detektor vorhanden ist, erzeugt die Variation der Phasendifferenz Rauschen, so dass die drei grundlegenden Leistungen des SEM nicht ausreichend verbessert werden können.
• Lösung der Aufgabe
• Eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält: ein optisches System für Ladungsträger, das eine Ladungsträgerquelle, eine oder mehrere Linsen, die konfiguriert sind, einen Ladungsträgerstrahl aus der Ladungsträgerquelle auf eine Probe zu fokussieren, und einen Deflektor, der konfiguriert ist, den Ladungsträgerstrahl abzulenken, um die Probe abzutasten, enthält; ein Detektionssystem, das einen Detektor enthält, der konfiguriert ist, Signalladungsträger oder eine elektromagnetische Welle, die durch Bestrahlen der Probe mit dem Ladungsträgerstrahl emittiert wird, zu detektieren; und einen Computer, der konfiguriert ist, das optische System für Ladungsträger zu steuern, um die Probe mit dem Ladungsträgerstrahl abzutasten, und ein Bild oder ein Signalprofil basierend auf einem aus dem Detektor ausgegebenen Detektionssignal zu erzeugen, wenn der Detektor Signalladungsträger oder eine elektromagnetische Welle, die durch Bestrahlung einer einem Pixel entsprechenden Bestrahlungsposition mit dem Ladungsträgerstrahl emittiert wird, detektiert,
  wobei der Computer das optische System für Ladungsträger und/oder das Detektionssystem steuert, um eine Intensität der Signalladungsträger oder der elektromagnetischen Welle, die durch den Detektor detektiert wird, mit einer vorgegebenen Frequenz zu modulieren, und das Bild oder das Signalprofil erzeugt, indem eine Bestrahlungsposition des Ladungsträgerstrahls einer Gleichstromkomponente eines durch synchrone Detektion eines Detektionssignals aus dem Detektor an der Bestrahlungsposition mit einem Referenzsignal mit der vorgegebenen Frequenz erfassten Signals zuordnet, und
  der Computer eine Phasendifferenz zwischen dem Detektionssignal aus dem Detektor und dem Referenzsignal zur synchronen Detektion so steuert, dass sie unabhängig von der Bestrahlungsposition des Ladungsträgerstrahls fest ist.
• Eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält: ein optisches System für Ladungsträger, das eine Ladungsträgerquelle, eine oder mehrere Linsen, die konfiguriert sind, einen Ladungsträgerstrahl aus der Ladungsträgerquelle auf eine Probe zu fokussieren, und einen Deflektor, der konfiguriert ist, den Ladungsträgerstrahl abzulenken, um die Probe abzutasten, enthält; ein Detektionssystem, das einen Detektor enthält, der konfiguriert ist, Signalladungsträger oder eine elektromagnetische Welle, die durch Bestrahlen der Probe mit dem Ladungsträgerstrahl emittiert wird, zu detektieren; und einen Computer, der konfiguriert ist, das optische System für Ladungsträger zu steuern, um die Probe mit dem Ladungsträgerstrahl abzutasten, und ein Bild oder ein Signalprofil basierend auf einem aus dem Detektor ausgegebenen Detektionssignal zu erzeugen, wenn der Detektor Signalladungsträger oder eine elektromagnetische Welle, die durch Bestrahlung einer einem Pixel entsprechenden Bestrahlungsposition mit dem Ladungsträgerstrahl emittiert wird, detektiert,
  wobei der Computer das optische System für Ladungsträger und/oder das Detektionssystem steuert, um eine Intensität der Signalladungsträger oder der elektromagnetischen Welle, die durch den Detektor detektiert wird, mit einer vorgegebenen Frequenz zu modulieren, und das Bild oder das Signalprofil erzeugt, indem eine Bestrahlungsposition des Ladungsträgerstrahls einer Gleichstromkomponente eines durch synchrone Detektion eines Detektionssignals aus dem Detektor an der Bestrahlungsposition mit einem Referenzsignal mit der vorgegebenen Frequenz erfassten Signals zuordnet, und
  der Computer das Detektionssignal aus dem Detektor in ein digitales Signal umsetzt und das digitale Signal basierend auf einem Abtastsignal erfasst, eine Frequenz des Abtastsignals auf das Doppelte oder mehr einer Modulationsfrequenz der Intensität der durch den Detektor detektierten Signalladungsträger oder elektromagnetischen Welle einstellt und eine Steuerung ausführt, so dass die Modulation der Intensität der durch den Detektor detektierten Signalladungsträger und elektromagnetischen Welle und das Abtastsignal mit einer vorgegebenen Phasendifferenz synchron sind.
• Vorteilhafte Effekte der Erfindung
• Die vorliegende Offenbarung überwindet einen Kompromiss zwischen Durchsatz, SNR und räumlicher Auflösung in einer Ladungsträgerstrahlvorrichtung.
• Weitere Aufgaben und neue Eigenschaften werden durch Bezugnahme auf die Beschreibung der Beschreibung und die begleitenden Zeichnungen verdeutlicht.
• Figurenliste
• [1] 1 ist ein Diagramm, das eine Grundkonfiguration eines Frequenzmodulations-SEM darstellt.
• [2] 2 ist ein Diagramm, das eine Grundkonfiguration des Frequenzmodulations-SEM unter Verwendung einer Photoanregungselektronenquelle darstellt.
• [3] 3 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration des Frequenzmodulations-SEM, auf dem ein Hochpassfilter montiert ist, darstellt.
• [4] 4 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Abtastsignal und einer Modulationsperiode einer Primärstrahlintensität während einer eindimensionalen Abtastung darstellt.
• [5] 5 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Abtastsignal und einer Modulationsperiode einer Primärstrahlintensität während einer zweidimensionalen Abtastung darstellt.
• [6] 6 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Abtastsignal und einer Modulationsperiode einer Primärstrahlintensität während einer zweidimensionalen Abtastung darstellt.
• [7] 7 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Frequenzmodulations-SEM gemäß einem zweiten Modifikationsbeispiel darstellt.
• [8] 8 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Frequenzmodulations-SEM gemäß einem dritten Modifikationsbeispiel darstellt.
• [9] 9 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Frequenzmodulations-SEM gemäß einem vierten Modifikationsbeispiel darstellt.
• [10A] 10A ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Frequenzmodulations-SEM gemäß einem fünften Modifikationsbeispiel darstellt.
• [10B] 10B ist ein Diagramm, das einen Effekt darstellt, wenn sowohl die Modulation eines elektronenoptischen Systems als auch die Modulation eines Detektionssystems ausgeführt werden.
• [11] 11 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Abtastsignal und einer Modulationsperiode einer Primärstrahlintensität darstellt, wenn eine Primärstrahlverweilzeit oder eine Strahlmodulationsperiode so eingestellt ist, dass sie in Abhängigkeit von Bereichen variiert.
• [12] 12 stellt ein Beispiel für einen Bedienbildschirm dar.
• [13] 13 stellt ein Beispiel für den Bedienbildschirm dar.
• [14] 14 ist ein Diagramm, das eine Grundkonfiguration eines digitalen Frequenzmodulations-SEM darstellt.
• [15] 15 ist ein Diagramm, das einen Erfassungsablauf eines Detektionssignals in dem digitalen Frequenzmodulations-SEM darstellt.
• [16] 16 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Detektionssignal und einem Abtastsignal darstellt.
• Beschreibung von Ausführungsformen
• Ein Elektronenmikroskop (Frequenzmodulations-SEM) wird als Beispiel für eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung beschrieben.
• [Erste Ausführungsform]
• 1 stellt eine grundlegende Vorrichtungskonfiguration eines Elektronenmikroskops (Frequenzmodulations-SEM) gemäß der vorliegenden Ausführungsform dar. 1 stellt ein elektronenoptisches System, ein Detektionssystem und ein Steuersystem als die Grundkonfiguration des Elektronenmikroskops dar. Das elektronenoptische System enthält eine Elektronenemissionseinheit 1, eine Beschleunigungselektrode 3, Fokussierlinsen 4 und 7, eine Blende 5, einen Zerhacker 6, einen Deflektor 8, eine Objektivlinse 9 und einen Signalgenerator 15. Das Detektionssystem enthält einen Signaldetektor 12, einen Verstärker 13, einen phasenempfindlichen Detektor 14, einen Phasenversteller 16und ein Tiefpassfilter 17. Das Steuersystem enthält einen Computer 18.
• Ein von der Elektronenemissionseinheit 1 emittierter Primärstrahl 2 wird durch die Beschleunigungselektrode 3 beschleunigt und wird durch die Fokussierlinse 4 fokussiert. Hinsichtlich des Primärstrahls wird die Strommenge durch die Blende 5 angepasst, und dann wird die Strahlintensität pro Flächeneinheit auf einer Probe durch den Zerhacker 6 frequenzmoduliert. In diesem Beispiel wird der Primärstrahl 2 basierend auf einer Ablenkspannung (Steuersignal) in Form einer Rechteckwelle aus dem Signalgenerator 15 moduliert. Der Zerhacker 6 kann unter Verwendung einer Austastdeflektors mit einer Blende konfiguriert sein, und die Strahlintensität wird moduliert (der Primärstrahl 2 wird gepulst), indem gesteuert wird, ob der Primärstrahl 2 in Abhängigkeit vom Ablenkungsgrad des Deflektors die Blende passieren darf oder nicht. Der Zerhacker 6 ist an einer Kreuzungsposition des Primärstrahls durch die Fokussierlinse 4 (eine Objektpunktposition der unteren Fokussierlinse 7) angeordnet, so dass das durch Modulation erzeugte Rauschen reduziert sein kann.
• Der frequenzmodulierte Primärstrahl 2 wird dann durch die Fokussierlinse 7 fokussiert, passiert die Objektivlinse 9 und wird zu einer Probe 10 emittiert. Zusätzlich ist der Deflektor 8 zwischen der Fokussierlinse 7 und der Objektivlinse 9 angeordnet und lenkt den Primärstrahl 2 ab, um die Probe 10 abzutasten. Die Größe oder das Material der Probe 10 sind nicht eingeschränkt. Beispielsweise kann die Probe 10 ein Halbleiterwafer sein. Durch Bestrahlen der Probe 10 mit dem Primärstrahl 2 werden aufgrund einer Wechselwirkung zwischen dem Primärstrahl 2 und der Probe 10 Signalelektronen 11 emittiert. Die Signalelektronen 11 werden durch den Signaldetektor 12 detektiert. Die Strahlintensität des Primärstrahls 2 ist frequenzmoduliert, so dass die Intensität der durch den Signaldetektor 12 detektierten Signalelektronen 11 ebenfalls frequenzmoduliert ist. Ein Detektionssignal aus dem Signaldetektors 12 wird durch den Verstärker 13 verstärkt und dann in den phasenempfindlichen Detektor 14 eingegeben. Beispiele für den Signaldetektor 12 enthalten einen E-T-Detektor. In dem E-T-Detektor können die Signalelektronen unter Verwendung eines Szintillators und einer Photovervielfacherröhre effizient detektiert werden.
• Ein Referenzsignal mit der gleichen Periode wie die Ablenkspannung zum Modulieren des Primärstrahls 2 wird ebenfalls aus dem Signalgenerator 15 in den phasenempfindlichen Detektor 14 eingegeben. Dieses Referenzsignal wird aus dem Signalgenerator 15 übertragen, die Phase des Referenzsignals wird durch den Phasenversteller 16 angepasst, und dann wird das Referenzsignal in den phasenempfindlichen Detektor 14 eingegeben. 1 stellt das Beispiel dar, bei dem der Signalgenerator 15 zur Strahlintensitätsmodulation und zur Übertragung des Referenzsignals gemeinsam verwendet wird. Es können mehrere Signalgeneratoren 15 vorgesehen sein, die getrennt zur Strahlintensitätsmodulation und zur Übertragung des Referenzsignals verwendet werden.
• In dem phasenempfindlichen Detektor 14 wird die Multiplikation (synchrone Detektion, Phasendetektion) unter Verwendung der beiden Signale, die das Detektionssignal aus dem Signaldetektor 12 und das Referenzsignal aus dem Signalgenerator 15 enthalten, ausgeführt. Durch Ausführen der synchronen Detektion kann das Signal mit einem hohen SNR detektiert werden. 1 stellt ein Beispiel dar, bei dem der Primärstrahl 2 mit einer Rechteckwelle moduliert (gepulst) wird. Nachstehend wird zur Vereinfachung der Beschreibung als Beispiel ein Fall beschrieben, in dem der Primärstrahl 2 mit einer Sinuswelle moduliert ist. Die Rechteckwelle wird durch die Überlagerung von Sinuswellen ausgedrückt, so dass das Gleiche auch auf den Fall der Rechteckwelle angewandt werden kann.
• Das Detektionssignal ist durch Asin(ω_st + θ_s) repräsentiert, das Referenzsignal ist durch sin(ω_rt + θ_r) repräsentiert, und das Rauschen ist durch N(ω)sin(ωt) repräsentiert. Hier ist das Rauschen hauptsächlich Rauschen, das dem Detektionssignal in dem Signaldetektor 12 oder in dem Verstärker 13 überlagert wird. A repräsentiert die Amplitude des Detektionssignals in Bezug auf 1,das heißt die Amplitude des Referenzsignals, ω_s repräsentiert die Frequenz des Detektionssignals, θ_s repräsentiert die Phase des Detektionssignals, t repräsentiert die Zeit, ω_r repräsentiert die Frequenz des Referenzsignals, θ_r repräsentiert die Phase des Referenzsignals, N(w) repräsentiert die Amplitude des Rauschens, und ω repräsentiert die Frequenz des Rauschens. Die Amplitude des Rauschens ist frequenzabhängig und wird daher durch eine Funktion der Frequenz w repräsentiert.
• In dem phasenempfindlichen Detektor 14 werden das Detektionssignal und das Referenzsignal, zu dem das Rauschen addiert ist, miteinander multipliziert, und ein Ausgangssignal S des phasenempfindlichen Detektors 14 ist durch (Ausdruck 1) repräsentiert.
  [Ausdruck 1] $$\begin{array}{l}S=\left\{A\text{ sin}\left({\omega }_{s}t+{\theta }_s\right)+{\displaystyle \int N\left(\omega \right)\text{sin}\left(\omega t\right)d\omega }\right\}\times \text{sin}\left({\omega }_{r}t+{\theta }_r\right)\\ =A\text{sin}\left({\omega }_{s}t+{\theta }_s\right)\text{sin}\left({\omega }_{r}t+{\theta }_r\right)+{\displaystyle \int N\left(\omega \right)\text{sin}\left(\omega t\right)\text{sin}\left({\omega }_{r}t+{\theta }_r\right)d\omega }\\ =\raisebox{1ex}{$A$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\times \text{cos}\left\{\left({\omega }_{s}t+{\theta }_s\right)-\left({\omega }_{r}t+{\theta }_r\right)\right\}-\raisebox{1ex}{$A$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\times \text{cos}\left\{\left({\omega }_{s}t+{\theta }_s\right)+\left({\omega }_{r}t+{\theta }_r\right)\right\}\\ +{\displaystyle \int N\left(\omega \right)\text{sin}\left(\omega t\right)\text{sin}\left({\omega }_{r}t+{\theta }_r\right)d\omega }\end{array}$$

  
• Das Produkt aus dem Detektionssignal und dem Berechnungssignal, zu dem das Rauschen addiert ist, kann wie in (Ausdruck 1) unter Verwendung einer trigonometrischen Identität modifiziert werden. Hier sind die Frequenzen des Detektionssignals und des Referenzsignals gleich und können daher durch ω_s = ω_r repräsentiert werden. Daher kann (Ausdruck 1) in (Ausdruck 2) modifiziert werden.
  [Ausdruck 2] $$\begin{array}{l}S=\raisebox{1ex}{$A$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\times \text{cos}\left({\theta }_s-{\theta }_r\right)-\raisebox{1ex}{$A$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\times \text{cos}\left(2{\omega }_{s}t+{\theta }_s+{\theta }_r\right)\\ +{\displaystyle \int N\left(\omega \right)\text{sin}\left(\omega t\right)\text{sin}\left({\omega }_{r}t+{\theta }_r\right)d\omega }\end{array}$$

  
• Zusätzlich kann der dritte Term in (Ausdruck 2) auch wie in (Ausdruck 3) mit Hilfe einer trigonometrischen Identität modifiziert werden.
  [Ausdruck 3] $$\begin{array}{c}{\displaystyle \int N\left(\omega \right)\text{sin}\left(\omega t\right)\text{sin}\left({\omega }_{r}t+{\theta }_r\right)d\omega }\\ ={\displaystyle \int \left[\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\times N\left(\omega \right)\text{cos}\left\{{\omega }_{r}t+{\theta }_r\right\}-\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\times N\left(\omega \right)\text{cos}\left\{\omega t+\left({\omega }_{r}t+{\theta }_r\right)\right\}\right]d\omega }\end{array}$$

  
• Das Ausgangssignal S des phasenempfindlichen Detektors 14 wird das Tiefpassfilter 17 eingegeben, und seine Gleichstromkomponente S_DC wird extrahiert. In (Ausdruck 3) ist die Gleichstromkomponente im dritten Term von (Ausdruck 2) ω = ω_r. Daher wird, wenn dw die Bandbreite repräsentiert, die Gleichstromkomponente S_DC durch (Ausdruck 4) repräsentiert.
  [Ausdruck 4] $$S_{DC}=\raisebox{1ex}{$A$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.\times \text{cos}\left({\theta }_s-{\theta }_r\right)\times N\left({\omega }_r\right)cos\left({\theta }_r\right)d\omega$$

  
• Wenn in (Ausdruck 4) die Phase θ_s des Detektionssignals und die Phase θ_r des Referenzsignals miteinander abgeglichen werden, ist der erste Term A/2, und das als zweiter Term verbleibende Rauschen ist nur die Rauschkomponente der Frequenz ω_r. Dementsprechend wird die Frequenz ω_r des Referenzsignals, das heißt die Modulationsfrequenz des Primärstrahls 2, auf ein Frequenzband mit geringem Rauschen (beispielsweise ein Hochfrequenzband im E-T-Detektor) eingestellt, und das Referenzsignal, dessen Phase θ_r durch den Phasenversteller 16 so angepasst ist, dass sie mit der Phase θ_s des Detektionssignals übereinstimmt, wird in den phasenempfindlichen Detektor 14 eingegeben, so dass die Amplitude A des Detektionssignals mit einem hohen SNR erfasst werden kann.
• Im Computer 18 wird die Gleichstromkomponente S_DC aus dem Tiefpassfilter 17 extrahiert und der Bestrahlungsposition des Primärstrahls 2 auf der Probe (die einer Pixelposition eines Bildes oder eines Signalprofils entspricht) zugeordnet, um ein SEM-Bild oder ein Signalprofil zu bilden. Auf diese Weise kann das Detektionssignal mit einem hohen SNR erhalten werden. Daher kann ein Signalerfassungsintervall (Abtastzeit) des Ausgangssignals des Tiefpassfilters 17 im Computer 18 unabhängig von der Modulationsfrequenz des Signalgenerators 15 eingestellt werden, und die Daten können einmal für jedes Pixel erfasst werden.
• 2 stellt eine Vorrichtungskonfiguration eines Elektronenmikroskops dar, in der eine Photoanregungselektronenquelle als Elektronenemissionseinheit verwendet ist. Die gleichen Komponenten wie in der Konfiguration von 1 sind durch die gleichen Bezugszeichen repräsentiert, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt. In dieser Konfiguration ist die Photoanregungselektronenquelle verwendet. Daher ist dem elektronenoptische System ein gepulster Laser 122 hinzugefügt, und dem Detektionssystem ist ein Photodetektor 123 hinzugefügt. Das von dem gepulsten Laser 122 ausgegebene gepulste Licht trifft auf eine Photoanregungselektronenquelle 121, und ein gepulster Primärstrahl 120 wird emittiert. Andererseits ist das Licht aus dem gepulste Lasers 122 verzweigt, und der Photodetektor 123 detektiert das verzweigte Licht. Bei der vorstehend beschriebenen Konfiguration kann das Detektionssignal des Lichts des gepulsten Lasers 122, das durch den Photodetektor 123 detektiert wird, als das Referenzsignal, das mit der gleichen Frequenz wie die Modulationsfrequenz des gepulsten Primärstrahls 120 moduliert ist, verwendet werden. Als der Photodetektor 123 kann ein Photodetektor oder eine Photovervielfacherröhre verwendet sein.
• Das Detektionssignal der durch die Bestrahlung mit dem gepulsten Primärstrahl 120 aus der Probe 10 erzeugten Signalelektronen 11 wird in den phasenempfindlichen Detektor 14 eingegeben und wie in der Vorrichtungskonfiguration von 1 in dem Detektionssystem verarbeitet. Der gepulste Laser 122, der das gepulste Licht ausgibt, kann unter Verwendung des Signalgenerators, der ein Frequenzsignal erzeugt, konfiguriert sein. In dem Frequenzsignal kann eine beliebige Wellenform wie z. B. eine Rechteckwelle oder eine Sinuswelle verwendet sein. In diesem Fall kann, wie in der Konfiguration von 1, auch eine Konfiguration eingesetzt sein, bei der das aus dem Signalgenerator ausgegebene Frequenzsignal als das Referenzsignal in den Phasenversteller 16 eingegeben wird.
• 3 stellt ein Beispiel, in dem ein Hochpassfilter 131 angeordnet ist, als ein Modifikationsbeispiel der Vorrichtungskonfiguration von 1 dar. in dem Detektionssystem kann das in einem niedrigen Frequenzband positionierte Rauschen durch Anordnen des Hochpassfilters 131 in einer hinteren Stufe des Verstärkers 13 abgeschnitten werden. Das Rauschen, das dem Detektionssignal in dem Signaldetektor 12 oder in dem Verstärker 13 überlagert ist, ist im tiefen Frequenzband relativ stark. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Primärstrahl 2, das heißt die Signalelektronen 11, so moduliert, dass das Rauschen, das im tiefen Frequenzband relativ stark ist, entfernt werden kann, ohne die Signalkomponente nachteilig zu beeinflussen.
• 4 stellt die zeitlichen Veränderungen eines Abtastsignals 21, einer Primärstrahlintensität 22, eines Detektionssignals 25 und eines Referenzsignals 27 dar, wenn eine Probe eindimensional (beispielsweise in X-Richtung) mit dem Primärstrahl 2 abgetastet wird, um ein Signalprofil zu erhalten. Bezüglich des Abtastsignals 21 wird eine Abtastspannung oder ein Abtaststrom (abhängig von der Konfiguration des Deflektors) so verändert, dass die Bestrahlungsposition in einem Intervall von einer Primärstrahlverweilzeit T_S pro Pixel in X-Richtung bewegt wird. Die Primärstrahlintensität 22 zeigt eine Änderung der Strahlintensität pro Flächeneinheit auf der Probe, und das Detektionssignal 25 wird zusammen mit der Modulation des Primärstrahls 2 ebenfalls moduliert. Zusätzlich besitzt das Referenzsignal 27 die gleiche Frequenz wie die Modulationsfrequenz des Primärstrahls 2. 4 stellt schematisch die Primärstrahlintensität 22, das Detektionssignal 25 und das Referenzsignal 27 als Signale dar, die mit der gleichen Frequenz moduliert sind. Hier ist das Beispiel dargestellt, bei dem der Primärstrahl 2 mit einer Sinuswelle moduliert ist. Dasselbe gilt jedoch auch für einen Fall, in dem der Primärstrahl 2 mit einer anderen Wellenform wie z. B. einer Rechteckwelle moduliert ist.
• Bezüglich einer in der Primärstrahlintensität 22 angegebenen Strahlmodulationsperiode T_M auf der Probe werden die Strahlmodulationsperiode T_M und die Primärstrahlverweilzeit Ts so angepasst, dass die Strahlmodulationsperiode T_M kürzer ist als die Primärstrahlverweilzeit T_S pro Pixel.
• Das Detektionssignal 25 wird in den phasenempfindlichen Detektor 14 in einem Zustand eingegeben, in dem eine Detektionsverzögerung D_D durch die Modulation der Primärstrahlintensität 22 auftritt. Das Referenzsignal 27 wird ebenfalls in den phasenempfindlichen Detektor 14 eingegeben, und es ist eine Phasendifferenz θ_D-R zwischen dem Referenzsignal 27 und dem Detektionssignal 25 vorhanden. Der Phasenversteller 16 verzögert das in den phasenempfindlichen Detektor 14 einzugebende Referenzsignal und gibt das Referenzsignal in den phasenempfindlichen Detektor 14 in einem Zustand ein, in dem die Phasendifferenz θ_D-R zwischen dem Detektionssignal und dem Referenzsignal 0 ist. Dementsprechend können, wenn die Primärstrahlverweilzeit T_S ein positives ganzzahliges Vielfaches der Strahlmodulationsperiode T_M ist, die Phasenanpassungsbeträge durch den Phasenversteller 16 an den Bestrahlungspositionen, die den jeweiligen Pixeln entsprechen, angeglichen werden. Da die Intensitäten der Elektronenstrahlen, mit denen die jeweiligen Pixel bestrahlt werden, angeglichen werden können, kann außerdem ein Effekt der Unterdrückung einer Variation in der erhaltenen Signalgröße oder Beschädigung erhalten werden.
• 5 stellt die zeitlichen Veränderungen des Abtastsignals und der Primärstrahlintensität 22 dar, wenn eine Probe mit dem Primärstrahl 2 zweidimensional abgetastet wird, um ein SEM-Bild zu erhalten. Hier wird in diesem Beispiel die Probe durch Rasterabtastung zweidimensional abgetastet, wobei das Abtasten in X-Richtung (auch als „Abtastzeile“ bezeichnet) wiederholt wird, während die Position in Y-Richtung senkrecht zur X-Richtung verschoben wird. Das Rasterabtastverfahren ist lediglich beispielhaft, und das zweidimensionale Abtastverfahren ist nicht darauf beschränkt, mit dem in 5 dargestellten Abtastsignal ausgeführt zu werden.
• Während des zweidimensionalen Abtastens mit dem Primärstrahl 2, wie in einer vergrößerten Ansicht 30 dargestellt, wird die Primärstrahlverweilzeit Ts pro Pixel länger eingestellt als die Strahlmodulationsperiode T_M auf der Probe. aus demselben Grund wie bei dem in 4 dargestellten eindimensionalen Abtasten ist, wenn eine Zeitspanne ab dem Beginn des Abtastens in X-Richtung an einer Position und bis zum Beginn des Abtastens in X-Richtung an einer nächsten Position als X-Richtung-Abtastperiode T_L definiert ist, die X-Richtung-Abtastperiode T_L eines X-Richtung-Abtastsignals 31 ein positives ganzzahliges Vielfaches der Strahlmodulationsperiode T_M. Als ein Ergebnis kann die Phasendifferenz θ_D-R zwischen dem Detektionssignal und dem Referenzsignal an der Startposition der Abtastung in X-Richtung unabhängig von den Positionen in Y-Richtung beibehalten werden.
• Wie vorstehend beschrieben, variiert die Phasendifferenz θ_D-R zwischen dem Detektionssignal 25 und dem Referenzsignal 27 in Abhängigkeit von den Strahlbestrahlungspositionen, wenn die Primärstrahlverweilzeit T_S pro Pixel kein positives ganzzahliges Vielfaches der Strahlmodulationsperiode T_M ist und wenn die X-Richtung-Abtastperiode T_L kein positives ganzzahliges Vielfaches der Strahlmodulationsperiode T_M ist. Das bedeutet, dass selbst bei einer festen Primärstrahlverweilzeit T_S, in der der Primärstrahl 2 emittiert wird, die Intensität des Primärstrahls 2 so moduliert wird, dass die Stärke eines Bestrahlungssondenstroms an der Bestrahlungsposition oder die Anzahl der Elektronen in der Verweilzeit abhängig von der Bestrahlungsposition variiert. Auf diese Weise erzeugt die Variation der Phasendifferenz θ_D-R eine Rauschkomponente, was zu einer Verschlechterung des REM-Bildes führt. Dementsprechend ist es, um die räumliche Auflösung des REM-Bildes zu verbessern, wünschenswert, das Abtasten und die Modulation des Primärstrahls 2 so zu steuern, dass die Phasendifferenz θ_D-R an allen Bestrahlungspositionen des Primärstrahls 2 fest ist.
• Auf diese Weise wird bei dem Frequenzmodulations-SEM gemäß der vorliegenden Ausführungsform durch Modulieren des Primärstrahls mit der Frequenz in einem Hochfrequenzband, in dem das Rauschen des Detektors gering ist, die Signalkomponente an der Modulationsfrequenz detektiert, an der die Größe der Signalkomponente ausreichend größer als die der Rauschkomponente ist. Dementsprechend kann ein Bild mit einem höheren SNR als das eines SEM-Bildes aus dem Stand der Technik erzeugt werden.
• In dem Frequenzmodulations-SEM gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist das SNR des Signals erheblich verbessert. Daher kann die Erfassungszeit eines Bildes reduziert werden, was zur Verbesserung des Durchsatzes beiträgt. Beispielsweise ist es in dem SEM aus dem Stand der Technik, um den SNR eines Bildes zu verbessern, notwendig, die kumulative Anzahl der Durchgänge [engl. Sheets] zu erhöhen, die Primärstrahlverweilzeit Ts pro Pixel zu erhöhen oder die Stärke des Sondenstroms zu erhöhen. Andererseits kann in dem Frequenzmodulations-SEM das Detektionssignal mit einem hohen SNR sogar ohne Integrieren von Bildern oder Erhöhen der Primärstrahlverweilzeit Ts erhalten werden. Eine Verringerung der Bilderfassungszeit für die Integration oder der Primärstrahlverweilzeit T_S führt zu einer Verbesserung des Durchsatzes und einer Verringerung der Beschädigung der Probe. Zusätzlich ist, da es nicht notwendig ist, die Stärke des Sondenstroms zu erhöhen, außerdem ein vorteilhafter Effekt darin vorhanden, dass eine Verschlechterung der räumlichen Auflösung oder Aufladung, die durch eine Erhöhung der Stärke des Sondenstroms verursacht ist, ebenfalls nicht auftritt. Das bedeutet, dass der Kompromiss zwischen den drei Leistungen, die Durchsatz, SNR und räumliche Auflösung enthalten, aufgelöst werden kann.
• Insbesondere bei der Messung oder Prüfung eines Halbleiterwafers ist das Aufladen einer Probe oder die Beschädigung einer Probe oder die Verunreinigung mit Kohlenstoff durch die Bestrahlung mit dem Primärstrahl ein Problem. Durch Reduzieren der Anzahl der Bestrahlungselektronen pro Bestrahlungsposition können Beschädigung oder Verformung wie z. B. Aufladen oder Schrumpfen, Anhaften von Kohlenstoffverunreinigungen und dergleichen deutlich reduziert werden. Daher kann eine genauere Messung der Abmessungen oder eine Verbesserung der Defektdetektionsrate erreicht werden.
• Für das Frequenzmodulations-SEM gemäß der vorliegenden Offenbarung können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden und werden nachstehend beschrieben.
• (Erstes Modifikationsbeispiel)
• 6 stellt ein von 5 verschiedenes Steuerungsbeispiel dar, um die Phasendifferenz θ_D-R zwischen dem Detektionssignal 25 und dem Referenzsignal 27 während des zweidimensionalen Abtastens mit dem Primärstrahl 2 konstant zu halten. 6 stellt die zeitlichen Veränderungen des Abtastsignals und der Primärstrahlintensität 22 dar, wenn eine Probe in Übereinstimmung mit der Steuerung zweidimensional mit dem Primärstrahl 2 abgetastet wird. Wie in einer vergrößerten Ansicht 60 dargestellt, ist die Primärstrahlverweilzeit Ts pro Pixel so eingestellt, dass sie länger ist als die Strahlmodulationsperiode T_M auf der Probe, und wenn die Primärstrahlverweilzeit T_S so eingestellt ist, dass sie ein positives ganzzahliges Vielfaches der Strahlmodulationsperiode T_M ist. Zusätzlich kann ein X-Richtung-Abtastsignal 61 eine Intervallzeit T_I aufweisen, die eine Zeitspanne ab dem Ende der Abtastung in X-Richtung an einer Position bis zum Beginn der nächsten Abtastung in X-Richtung ist. Bei der in 6 dargestellten Steuerung wird die Modulation der Primärstrahlintensität 22 zur Intervallzeit T_I zurückgesetzt, und die Modulation beginnt erneut, so dass die Phase zu einem Zeitpunkt des Beginns der Abtastung in X-Richtung gleich ist. Selbst mit dieser Steuerung kann die Phasendifferenz θ_D-R zwischen dem Detektionssignal 25 und dem Referenzsignal 27 an allen Bestrahlungspositionen fest sein.
• (Zweites Modifikationsbeispiel)
• Selbst wenn die Phasendifferenz θ_D-R an allen Bestrahlungspunkten des Primärstrahls 2 unter Verwendung der in den 4, 5 und 6 dargestellten Steuerungsverfahren gleich eingestellt ist, kann aufgrund einer durch Umgebungsvariationen verursachten Signalübertragungsverzögerung oder ein geringes Rauschen Phasenabweichung zwischen dem Detektionssignal 25 und dem Referenzsignal 27 vorhanden sein. Dieses Modifikationsbeispiel ist eine Konfiguration, bei der der Phasenanpassungsbetrag des Phasenverstellers 16 so angepasst ist, dass eine Abweichung der Phasendifferenz θ_D-R nicht zu einer Verschlechterung des SEM-Bildes führt.
• in dem zweiten Modifikationsbeispiel kann der Phasenanpassungsbetrag des Phasenverstellers 16 automatisch so gesteuert werden, dass die Phasendifferenz θ_D-R an einer einem Pixel entsprechenden Bestrahlungsposition im phasenempfindlichen Detektor 14 auf 0 korrigiert wird. In der in 7 dargestellten Vorrichtungskonfiguration ist der Computer 18 so konfiguriert, dass der Phasenversteller 16 die Phase des in den phasenempfindlichen Detektor 14 eingegebenen Referenzsignals steuern kann. Der Computer 18 veranlasst den Phasenversteller 16, die Phase des Referenzsignals von 0° bis 360° zu ändern, und überwacht die Ausgabe des Tiefpassfilters 17. In dem Phasenanpassungsbetrag, bei dem die Ausgabe des Tiefpassfilters 17 das Maximum ist, ist die Phasendifferenz zwischen dem Detektionssignal und dem Referenzsignal, das in den phasenempfindlichen Detektor 14 eingegeben wird, 0. Der Computer 18 stellt den Phasenanpassungsbetrag, bei dem die Ausgabe des Tiefpassfilters 17 das Maximum ist, als den Phasenanpassungsbetrag des Phasenverstellers 16 ein. Ein Zeitpunkt, zu dem der Phasenanpassungsbetrag des Phasenverstellers 16 gesteuert wird, ist nicht besonders eingeschränkt. Beispielsweise kann eine Konfiguration zum Anpassen des Phasenanpassungsbetrags des Phasenverstellers 16 zu einem Zeitpunkt unmittelbar vor dem Erfassen eines Bildes oder eines Signalprofils Betracht gezogen werden.
• (Drittes Modifikationsbeispiel)
• Um die Gleichstromkomponente SDC aus dem Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors 14 mit höherer Geschwindigkeit zu extrahieren, kann anstelle des Tiefpassfilters 17 eine Abtasthalteschaltung 81 verwendet werden. 8 stellt eine Vorrichtungskonfiguration unter Verwendung der Abtasthalteschaltung dar. Es sind eine Abtasthalteschaltung 81a zur Detektion positiver Spannungen und eine Abtasthalteschaltung 81b zur Detektion negativer Spannungen vorgesehen, und das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors 14 wird in jede der Abtasthalteschaltungen eingegeben. Ein Abtastzeitpunkt in der Abtasthalteschaltung 8.1 wird basierend auf dem Referenzsignal, dessen Phase durch den Phasenversteller 16 angepasst ist, eingestellt. Hier ist der Abtastzeitpunkt so konfiguriert, dass das Referenzsignal, dessen Phase durch einen Phasenversteller 82 gegenüber dem in die Abtasthalteschaltung 81a zur Detektion positiver Spannungen eingegebenen Referenzsignal um 90° verschoben ist, als das Referenzsignal eingegeben wird, das in die Abtasthalteschaltung 81b zur Detektion negativer Spannungen eingegeben wird. Das durch die Abtasthalteschaltung 81 gehaltene und ausgegebene Signal wird in den Computer 18 eingegeben, und der Computer 18 berechnet einen Mittelwert oder eine Differenz basierend auf einem Maximalwert und einem Minimalwert des Ausgangssignals des phasenempfindlichen Detektors 14. Der Mittelwert oder der Differenzwert kann als ausgegebenes Ergebnis betrachtet werden, wenn das Tiefpassfilter 17 in Pseudoform verwendet wird.
• Das aus dem Tiefpassfilter 17 ausgegebene Signal besitzt ein niedriges SNR, das SNR des Signals ist jedoch im Vergleich zum SEM aus dem Stand der Technik deutlich verbessert. In dem Frequenzmodulations-SEM unter Verwendung der Abtasthalteschaltung 81 müssen nur der Maximalwert und der Minimalwert in einer Periode des Referenzsignals erfasst werden. Daher können die Primärstrahlverweilzeit T_S pro Pixel und die Strahlmodulationsperiode T_M angeglichen werden. Als ein Ergebnis kann die Primärstrahlverweilzeit T_S pro Pixeleinheit weiter reduziert werden, und somit können ein höherer Durchsatz und eine geringere Beschädigung erreicht werden.
• Das Verfahren zum Extrahieren der Gleichstromkomponente S_DC aus dem Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors 14 unter Verwendung der Abtasthalteschaltung 81 ist beschrieben worden. Der gleiche Prozess kann jedoch auch unter Verwendung eines Verfahrens ausgeführt werden, bei der das Ausgangssignal des phasenempfindlichen Detektors 14 direkt in den Computer 18 eingegeben wird, das Ausgangssignal in ein digitales Signal umgesetzt wird und ein Peak detektiert wird.
• (Viertes Modifikationsbeispiel)
• Das Konfigurationsbeispiel des Frequenzmodulations-SEM kann unter Verwendung des Zerhackers 6 oder der Photoanregungselektronenquelle 121 realisiert werden, wenn die Frequenzmodulation des Primärstrahls 2 und 120 eine Rechteckwelle ist. Wie vorstehend beschrieben, muss die Intensitätsmodulation des Primärstrahls 2 keine Rechteckwelle sein, sondern kann auch eine Sinuswelle sein. 9 stellt eine Vorrichtungskonfiguration dar, in der die Frequenzmodulation des Primärstrahls 2 eine Sinuswelle ist. Wenn die Frequenzmodulation eine Sinuswelle ist, kann die Linsenstärke im elektronenoptischen System des Frequenzmodulations-SEM geändert werden. Die Linsenstärke kann im Fall einer elektromagnetischen Linse durch einen Strom moduliert werden und kann im Fall einer elektrostatischen Linse durch eine Spannung moduliert werden. Im Beispiel von 9 wird der Primärstrahl 2 durch Modulieren einer an eine Beschleunigungselektrode 111 angelegten Spannung moduliert. Wie in der Zeichnung dargestellt, werden durch Ausführen der Frequenzmodulation in Bezug auf die an die Beschleunigungselektrode 111 angelegte Spannung die Bedingungen für die Bestrahlung der Probe 10 mit dem Primärstrahl 2 moduliert, und die Intensität des Primärstrahls 2 pro Flächeneinheit wird moduliert. Als ein Ergebnis ist auch die Intensität der emittierten Signalelektronen 11 moduliert.
• Die an die Beschleunigungselektrode 111 angelegte Spannung ist nicht eingeschränkt, und sogar durch Frequenzmodulation einer an eine Verzögerungselektrode 112 angelegten Spannung, einer an die Beobachtungsprobe 10 angelegten Verzögerungsspannung, einer an die Elektronenemissionseinheit 1 angelegten Spannung, eines an die Fokussierlinsen 4 und 7 oder die Objektivlinse 9 angelegten Stroms oder dergleichen können die Bedingungen für die Bestrahlung der Probe mit dem Primärstrahl 2 moduliert werden, und die Intensität des Primärstrahls 2 pro Flächeneinheit kann moduliert werden.
• (Fünftes Modifikationsbeispiel)
• In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform oder den Modifikationsbeispielen wird durch Modulation des Primärstrahls 2 die Intensität der emittierten Signalelektronen 11 frequenzmoduliert. Andererseits kann das SNR durch Frequenzmodulieren des Detektionssystems, das die Signalelektronen 11 detektiert, anstelle des elektronenoptischen Systems verbessert werden. 10A stellt eine Vorrichtungskonfiguration dar, in der die Frequenzmodulation an dem Detektionssystem ausgeführt wird, um das Detektionssignal zu frequenzmodulieren. Beispielsweise wenn ein E-T-Detektor als ein Signaldetektor 90 verwendet wird, enthält der E-T-Detektor einen Szintillator 91, der konfiguriert ist, die Signalelektronen 11 durch Kollision in Licht umzusetzen, und eine Photovervielfacherröhre 92, die konfiguriert ist, das aus dem Szintillator 91 emittierte Licht in ein elektrisches Signal umzusetzen. Um Sekundärelektronen oder rückgestreute Elektronen als Signalelektronen 11 zu sammeln, wird eine Spannung im Bereich von einigen kV bis zu einigen zehn kV an den Szintillator 91 angelegt. Zu diesem Zweck ist im fünften Modifikationsbeispiel der Signalgenerator 15 in dem Detektionssystem vorgesehen, und die an den Szintillator 91 angelegte Spannung, die durch den Signalgenerator 15 erzeugt wird, ist frequenzmoduliert. Als ein Ergebnis wird die Intensität des aus dem Szintillator 91 emittierten Lichts moduliert, und somit kann das Detektionssignal aus dem Signaldetektor 90 moduliert sein.
• In dieser Konfiguration kann durch Verwenden des Szintillators, der mit hoher Geschwindigkeit auf den Szintillator 91 reagiert, die Abtastgeschwindigkeit erhöht werden. Die Reaktionsgeschwindigkeit des Szintillators, das heißt die Extinktionszeit und die Emissionsintensität, stehen in einem Kompromissverhältnis. Dementsprechend besitzt der Szintillator mit einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit eine schwache Emissionsintensität und ein schlechtes SNR, selbst wenn versucht wird, die Abtastgeschwindigkeit des Primärstrahls unter Verwendung des Szintillators mit einer hohen Abtastgeschwindigkeit zu erhöhen, um eine Hochgeschwindigkeitsabbildung im SEM aus dem Stand der Technik zu realisieren. Daher kann die Abtastgeschwindigkeit nicht ausreichend erhöht werden, oder die Anzahl der integrierten Bilder muss erhöht werden, und somit gibt es eine Grenze bei der Reduzierung der Bildaufnahmezeit. Andererseits kann bei dem Frequenzmodulations-SEM das SNR durch die Frequenzmodulation verbessert werden. Daher kann der Szintillator mit einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit (beispielsweise ein Szintillator mit einer Extinktionszeit von 10 ns oder kürzer) in dem Signaldetektor 90 verwendet werden. Als ein Ergebnis kann nicht nur eine weitere Verbesserung des Durchsatzes, sondern auch eine Beobachtung mit geringer Aufladung und Beobachtung mit geringer Verunreinigung erreicht werden.
• Die Konfiguration ist nicht auf die Frequenzmodulation der an den Szintillator 91 angelegten Spannung beschränkt, und wenn ein Energiefilter oder dergleichen zum Ändern der Sammeleffizienz der Signalelektronen vor dem Signaldetektor 90 angeordnet ist, ist es auch möglich, das Detektionssignal durch Frequenzmodulieren der Bedingung des Energiefilters zu frequenzmodulieren.
• Das fünfte Modifikationsbeispiel kann auch mit einer weiteren Ausführungsform kombiniert werden. In diesem Fall führt das Frequenzmodulations-SEM sowohl die Modulation des Primärstrahls 2 als auch die Modulation des Detektionssystems, das die Signalelektronen 11 detektiert, aus. Beispielsweise wird der Signalgenerator 15 von dem elektronenoptischen System und dem Detektionssystem gemeinsam verwendet, und das Steuersignal aus dem Signalgenerator 15 ist so konfiguriert, dass es sowohl in den Zerhacker 6 als auch in den Szintillator 91 eingegeben wird. Hier ist beispielsweise der Phasenversteller oder eine Verzögerungsschaltung, die den Betrag der Verzögerung anpassen kann, in dem elektronenoptischen System und/oder dem Detektionssystem vorgesehen, so dass eine Phasendifferenz zwischen einer Phase zum Modulieren des elektronenoptischen Systems und einer Phase zum Modulieren des Detektionssystems angepasst werden kann. Der Signalgenerator kann ebenfalls sowohl in dem elektronenoptischen System als auch dem Detektionssystem vorgesehen sein, und ein Verfahren zum Steuern der Phasendifferenz ist nicht besonders eingeschränkt.
• 10B stellt ein virtuelles Detektionssignal 101, das aus dem Signaldetektor 90 ausgegeben wird, wenn die Modulation des Detektionssystems nicht ausgeführt wird, und eine Steuerspannung 103, die an den Szintillator 91 im fünften Änderungsbeispiel angelegt wird, dar. Wenn die Steuerspannung 103 in einem EIN-Zustand ist, emittiert der Szintillator 91 nach dem Empfangen der Signalelektronen 11 Licht. Wenn die Steuerspannung 103 in einem AUS-Zustand ist, emittiert der Szintillator 91 auch nach dem Empfangen der Signalelektronen 11 kein Licht. Für das virtuelle Detektionssignal 101 ist aufgrund der Modulation des Primärstrahls 2 eine gewisse Zeitspanne erforderlich, um das Signal zu stabilisieren. Deshalb kann durch Anpassen der Phasendifferenz zwischen der Phase zum Modulieren des elektronenoptischen Systems und der Phase zum Modulieren des Detektionssystems das aus dem Signaldetektor 90 ausgegebene Detektionssignal auf einen spannungsstabilen Bereich 102 des virtuellen Detektionssignals 101 eingegrenzt werden. Hier wird die Signalstabilisierung als Beispiel beschrieben. Rauschen oder dergleichen zum Zeitpunkt des Signalanstiegs kann jedoch wie in 10B dargestellt behandelt werden.
• Im Beispiel von 10B sind die Modulationsfrequenz des elektronenoptischen Systems und die Modulationsfrequenz des Detektionssystems gleich. Zu diesem Zeitpunkt kann, wenn die Phase zum Modulieren des elektronenoptischen Systems und die Phase zum Modulieren des Detektionssystems übereinstimmen, aufgrund des Effekts eines instabilen Anstiegs des Detektionssignals eine Variation der Signalintensität auftreten. Andererseits wird, wenn die Phasen entgegengesetzt sind, das Detektionssignal nicht ausgegeben. Dementsprechend ist, wenn die Phasendifferenz von 0 geändert wird, das erhaltene Bild in einer Anfangsstufe aufgrund des Effekts des instabilen Anstiegs des Detektionssignals etwas dunkel und wird zusammen mit einer Abnahme des Anstiegseffekts allmählich heller. Ferner nimmt, wenn die Phasendifferenz zunimmt, der Betrag des Detektionssignals ab, so dass das erhaltene Bild wieder dunkler wird. Die Phasendifferenz, bei der die Helligkeit das Maximum ist, ist eine Phasendifferenz, bei der das SNR des schließlich erhaltenen Bildes oder Signalprofils das Maximum ist. Diese Phasendifferenz wird auch so gesteuert, dass sie an allen Bestrahlungspositionen fest ist. Eine Variation der Phasendifferenz in Abhängigkeit von den Bestrahlungspositionen verursacht eine Variation der Helligkeit, die zu einer Abnahme des SNR des Beobachtungsbildes führt.
• (Sechstes Modifikationsbeispiel)
• Anstatt die Primärstrahlverweilzeit T_S pro Pixel an allen Strahlbestrahlungspositionen anzugleichen, kann die Primärstrahlverweilzeit Ts pro Pixel oder die Strahlmodulationsperiode T_M abhängig von Orten in einer zweidimensionalen Ebene, die abgetastet werden soll, geändert werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Werte so eingestellt sind, dass die Beziehung, bei der die Primärstrahlverweilzeit T_S pro Pixel ein positives ganzzahliges Vielfaches der Strahlmodulationsperiode T_M ist, auch nach der Änderung erhalten bleibt. Zusätzlich wird, selbst wenn sich die X-Richtung-Abtastperiode T_L in Abhängigkeit von den Abtastzeilen ändert, die X-Richtung Abtastperiode T_L so gesteuert, dass sie ein positives ganzzahliges Vielfaches der Strahlmodulationsperiode T_M ist, oder die Modulation wird zurückgesetzt, so dass sie für jede der Abtastzeilen die gleiche Phase besitzt.
• 11 stellt ein Beispiel dar, bei dem ein Probenbeobachtungsbild in die Bereiche A bis C unterteilt ist und die Primärstrahlverweilzeit T_S oder die Strahlmodulationsperiode T_M für jeden der Bereiche eingestellt wird. Im Vergleich zu einer Primärstrahlverweilzeit T_SA und einer Strahlmodulationsperiode T_MA, die im Bereich A als Referenz eingestellt sind, sind T_SA = T_SB und T_MA > T_MB im Bereich B erfüllt, und T_MA = T_MC und T_SC > T_SA sind im Bereich C erfüllt: Auf diese Weise kann sich der Steuerwert hinsichtlich der Primärstrahlverweilzeit T_S pro Pixel und/oder der Strahlmodulationsperiode T_M abhängig von der Bestrahlungsposition, dem Material der Probe oder dergleichen ändern.
• 12 stellt ein Beispiel für einen Bedienbildschirm dar. Der Bedienbildschirm enthält eine Anzeigeeinheit 141 für erfasst Bilder, einen Signalstärkenmonitor 142, eine Bedingungseinstelluhgseinheit 143 und eine Phaseneinstellungseinheit 144. In der Bedingungseinstellungseinheit 143 werden verschiedene Beobachtungsbedingungen, Modulationsbedingungen und Schaltungsbedingungen eingegeben. Die Modulationsbedingungen oder die Schaltungsbedingungen können während des Betrachtens des Signalstärkenmonitors 142 eingestellt werden. in der Bedingungseinstellungseinheit 143 wird der Wert des SNR berechnet und angezeigt. Bei der Überprüfung dieses Wertes kann die Modulationsfrequenz oder die Grenzfrequenz des Hochpassfilters oder des Tiefpassfilters so eingestellt werden, dass das gewünschte SNR erfüllt ist. In der Bedingungseinstellungseinheit 143 ist das Beispiel der direkten Eingabe des Steuerwerts dargestellt. Der Wert kann auch unter Verwendung eines Pull-Down-Verfahrens ausgewählt werden, oder es können mehrere voreingestellte optische Betriebsarten bereitgestellt sein, so dass der Bediener die optische Betriebsart in der Bedingungseinstellungseinheit 143 auswählen kann. Der Phasenanpassungsbetrag durch den Phasenversteller 16 kann ebenfalls manuell durch die abtastende Person in der Phaseneinstellungseinheit 144 angepasst werden, während sie den Signalstärkenmonitor betrachtet, oder er kann automatisch angepasst werden, wie im zweiten Modifikationsbeispiel beschrieben. Im Fall der manuellen Eingabe kann der Phasenbetrag unter Verwendung eines Schiebereglers der Phaseneinstellungseinheit 144 angepasst werden, oder ein beliebiger numerischer Wert des Phasenbetrags kann eingegeben werden. Jede Bedingung wird nicht unabhängig eingestellt, und ein unter den eingestellten verschiedenen Bedingungen beobachtetes SEM-Bild wird in der Anzeigeeinheit 141 für erfasste Bilder angezeigt.
• 13 zeigt ein Beispiel für einen Bedienbildschirm, auf dem die Primärstrahlverweilzeit Ts pro Pixel oder die Strahlmodulationsperiode T_M, die abhängig von den in 11 dargestellten Bereichen variiert, eingestellt ist. Ein Bilderfassungsbereich ist in eine Bereichsauswahleinheit 151 aufgeteilt, und die Primärstrahlverweilzeit T_S oder die Strahlmodulationsperiode T_M wird für jeden der aufgeteilten Bereiche in der Bedingungseinstellungseinheit 152 eingestellt. Die Aufteilung des Bilderfassungsbereichs und die Bedingungen für jeden der aufgeteilten Bereiche können voreingestellt sein, so dass der Bediener die Einstellungen aus der Bedingungseinstellungseinheit 152 abrufen kann.
• [Zweite Ausführungsform]
• In der ersten Ausführungsform ist das Beispiel beschrieben, bei dem der phasenempfindliche Detektor die synchrone Detektion unter Verwendung eines analogen Signals ausführt. Andererseits kann ein Computer auch die synchrone Detektion unter Verwendung digitaler Verarbeitung ausführen. In der zweiten Ausführungsform wird ein Frequenzmodulations-SEM unter Verwendung von digitaler Verarbeitung (im Folgenden als „digitales Frequenz-SEM“ bezeichnet) beschrieben.
• 14 stellt eine grundlegende Vorrichtungskonfiguration des digitalen Frequenzmodulations-SEM dar. 14 stellt die Konfiguration dar, die dem in 1 dargestellten Frequenzmodulations-SEM entspricht, und die digitale Verarbeitung, die durch einen Computer 71 ausgeführt wird, ist als Funktionsblöcke abgebildet. Die Konfiguration ist nicht auf das in 1 dargestellte Frequenzmodulations-SEM beschränkt, und die entsprechende digitale Verarbeitung kann auf jedes der Modifikationsbeispiele der ersten Ausführungsform angewendet werden.
• Die Funktionsblöcke, die sich auf die synchrone Detektion des digitalen Frequenzmodulations-SEM beziehen, enthalten eine AD-Umsetzungseinheit 73, eine Synchrondetektionseinheit 74, eine Signalerzeugungseinheit 75, eine Phasenanpassungseinheit 76, ein Tiefpassfilter 77 und eine Steuereinheit 78. Die Synchrondetektionseinheit 74, die Signalerzeugungseinheit 75, die Phasenanpassungseinheit 76, das Tiefpassfilter 77 und die Steuereinheit 78 sind Funktionsblöcke, die dem phasenempfindlichen Detektor 14, dem Signalgenerator 15, dem Phasenversteller 16, dem Tiefpassfilter 17 bzw. dem Computer 18 des in der ersten Ausführungsform dargestellten Frequenzmodulations-SEM entsprechen, und ihre Beschreibung wird nicht wiederholt. in dem Frequenzmodulations-SEM wird die Ausgabe des Tiefpassfilters 17 in ein digitales Signal umgesetzt, und das digitale Signal wird in den Computer 18 eingespeist. Andererseits wird in dem digitalen Frequenzmodulations-SEM die Ausgabe des Verstärkers 13 durch die AD-Umsetzungseinheit 73 in ein digitales Signal umgesetzt, und das Detektionssignal wird als das digitale Signal basierend auf einem Abtastsignal in den Computer 71 eingespeist.
• 15 stellt einen Erfassungsablauf des Detektionssignals in dem digitalen Frequenzmodulations-SEM dar. Wenn die Signalelektronen 11 durch den Signaldetektor detektiert werden (S01), wird das Detektionssignal aus dem Signaldetektor 12 durch den Verstärker 13 verstärkt, wird durch die AD-Umsetzungseinheit 73 in ein digitales Signal umgesetzt und abgetastet und wird als das digitale Signal in den Computer 71 eingespeist (S202). Hier wird die Stärke des Detektionssignals aus dem Intensität 12 durch Frequenzmodulieren der Strahlintensität des Primärstrahls 2 frequenzmoduliert. Um die kontinuierliche Wellenform des Detektionssignals (analogen Signals) zu reproduzieren, ist es basierend auf dem Abtasttheorem notwendig, eine Beziehung zu erfüllen, dass die Abtastfrequenz der AD-Umsetzungseinheit 73 höher ist als das Doppelte der Modulationsfrequenz des Primärstrahls 2. Dieser Punkt unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform, bei der das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 17 in den Computer eingespeist wird. Der Grund dafür ist, dass es, da das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 17 die Gleichstromkomponente ist, nicht notwendig ist, eine Einschränkung basierend auf der Beziehung mit der Abtastfrequenz der AD-Umsetzungseinheit für die Modulationsfrequenz des Primärstrahls 2 vorzunehmen.
• Das Detektionssignal als das durch die AD-Umsetzungseinheit 73 umgesetzte digitale Signal wird basierend auf dem Abtastsignal abgetastet, und die synchrone Detektion wird durch die Synchrondetektionseinheit 74 ausgeführt. Wie in 16 dargestellt, ist für ein Detektionssignal 161 aus dem Signaldetektor 12 aufgrund der Modulation des Primärstrahls 2 zum Zeitpunkt des Anstiegs des Signals eine gewisse Zeitspanne erforderlich, um das Signal zu stabilisieren. Daher ist es wünschenswert, Ausgangsspannungswerte außerhalb eines spannungsstabilen Bereichs 162 des Detektionssignals 161 von der Signalverarbeitung auszuschließen. Daher wird die Frequenz eines Abtastsignals 163 zum Abtasten des Detektionssignals, das durch die AD-Umsetzungseinheit 73 in ein digitales Signal umgesetzt ist, auf das Doppelte oder mehr der Modulationsfrequenz des Detektionssignals (hier der Frequenz des Modulationssignals des Primärstrahls 2) eingestellt, und das Detektionssignal (hier das Modulationssignal des Primärstrahls 2) und das Abtastsignal 163 werden miteinander synchronisiert. Durch Einstellen der Frequenz des Abtastsignals 163 auf das Doppelte oder mehr der Modulationsfrequenz des Detektionssignals kann das Detektionssignal während der Bestrahlung mit dem Primärstrahl 2 zuverlässig erfasst werden. Zusätzlich wird die Abtastfrequenz der AD-Umsetzungseinheit 73 so eingestellt, dass sie ausreichend hoch ist, und die Frequenz des Abtastsignals 163 wird so eingestellt, dass sie niedriger als die oder gleich der Abtastfrequenz der AD-Umsetzungseinheit 73 ist.
• Durch Anpassen einer Phasendifferenz zwischen dem Detektionssignal und dem Abtastsignal 163 der AD-Umsetzungseinheit 73 kann der Effekt eines instabilen Anstiegs des Detektionssignals 161 reduziert werden. 16 stellt ein Beispiel dar, bei dem die Frequenz des Abtastsignals 163 auf das Doppelte der Frequenz des Detektionssignals 161 angepasst ist und die Phasendifferenz zwischen ihnen so angepasst ist, dass die Abtastperiode in den spannungsstabilen Bereich 162 des Detektionssignals 161 fällt. Als optimale Phasendifferenz kann eine Phasendifferenz ausgewählt werden, bei der das erhaltene Bild die maximale Helligkeit aufweist (der Pixelwert ist das Maximum), während die Phasendifferenz zwischen dem Modulationssignal des Primärstrahls 2 und dem Abtastsignal 163 geändert wird. Als ein Ergebnis ist das SNR des schließlich erhaltenen Bildes oder Signalprofils verbessert.
• Das Modulationssignal des Primärstrahls 2 und das Abtastsignal 163 der AD-Umsetzungseinheit 73 sind miteinander synchronisiert, so dass der Effekt des Rauschens unabhängig von den Bestrahlungspositionen des Primärstrahls 2 auf der Probe gleichmäßig gemacht werden kann. Im Beispiel von 16 ist das Tastverhältnis des Abtastsignals 163 zum EIN/AUS-Schalten des Abtastens auf 50 % eingestellt. Das Tastverhältnis ist jedoch nicht auf diesen Wert eingeschränkt.
• Zusätzlich kann in der vorstehend beschriebenen Konfiguration dadurch, dass ermöglicht wird, dass die AD-Umsetzungseinheit 73 das Detektionssignal als das digitale Signal basierend auf dem Abtastsignal unter der Bedingung, dass das Abtasttheorem erfüllt ist, weiter abtastet, die AD-Umsetzung mit der festen Abtastfrequenz ausgeführt werden, unabhängig von der Modulationsfrequenz des Detektionssignals. Die Abtastfrequenz der AD-Umsetzungseinheit 73 kann in Zuordnung zu der Modulationsfrequenz des Detektionssignals gesteuert werden. In diesem Fall wird die Abtastfrequenz der AD-Umsetzungseinheit 73 mit der Modulationsfrequenz des Detektionssignals synchronisiert, und die Phasendifferenz zwischen der Abtastperiode der AD-Umsetzungseinheit 73 und der Modulationsperiode des Detektionssignals wird angepasst. Als ein Ergebnis kann der Effekt eines instabilen Anstiegs des Detektionssignals 161 reduziert werden.
• Es ist auch effektiv, das digitale Eingangssignal durch ein Hochpassfilter oder ein Tiefpassfilter zu filtern, um eine Rauschkomponente einer anderen als der gewünschten Frequenz zu unterdrücken (S03). Als Nächstes wird in der Synchrondetektionseinheit 74 das abgetastete digitale Signal mit dem aus der Phasenanpassungseinheit 76 ausgegebenen Referenzsignal multipliziert (S04). Das Referenzsignal kann ein digitales Signal sein, das aus einem analogen Signal umgesetzt ist, oder es kann ein digitales Signal oder ein fester Wert sein, das/der im Computer 71 erzeugt wird. Zusätzlich kann die Signalwellenform des Referenzsignals eine Sinuswelle sein oder kann eine Rechteckwelle sein.
• Anstatt die abgetasteten digitalen Signale sequenziell zu multiplizieren, kann das abgetastete digitale Signal in einer Speichervorrichtung des Computers 71 in eindimensionaler oder zweidimensionaler Form (beispielsweise in einer Bildform) vorübergehend gespeichert werden, und das gespeicherte digitale Signal kann kollektiv mit dem Referenzsignal, das ebenfalls in eindimensionaler oder zweidimensionaler Form erzeugt wird, multipliziert werden. Hier bedeutet das Speichern in eindimensionaler Form, dass die digitalen Signale oder die Referenzsignale, die basierend auf dem Abtastsignal eingespeist werden, in einer Zeitreihe sequenziell angeordnet und gespeichert sind. Die Signale, die in einer Zeitreihe angeordnet sind, können digitale Signale sein, die eingespeist werden, oder können die Ergebnisse sein, die durch Filtern und/oder arithmetische Verarbeitung der digitalen Signale erhalten werden. Zusätzlich können die in eindimensionaler Form gespeicherten Daten Daten sein, die nur eine einzige Bestrahlungsposition betreffen, oder können Daten in eindimensionaler Form sein, wobei die Daten, die mehrere Bestrahlungspositionen betreffen, in einer Zeitreihe angeordnet sind. Das Speichern in zweidimensionaler Form repräsentiert das Speichern mehrerer Dateneinheiten in eindimensionaler Form. Mehrere Dateneinheiten derselben eindimensionalen Form können gespeichert sein, oder Daten unterschiedlicher eindimensionaler Form können gespeichert sein.
• Als Nächstes gibt ein Tiefpassfilter 77 eine gewünschte Signalkomponente aus einem Wert, der durch miteinander Multiplizieren des Referenzsignals und des digitalen Signals erhalten wird, aus (S05), und die Steuereinheit 78 bildet die Ausgabe des Tiefpassfilters 77 ab (S06). Zu diesem Zeitpunkt kann beispielsweise anstelle des Tiefpassfilters 77 eine Integration der Daten in einer vorgegebenen Zeitspanne oder eine Bewegungsintegration verwendet werden. Zusätzlich können die Ausgangsdaten des Tiefpassfilters gemittelt werden, um die Daten eines Pixels zu konstruieren.
• Das digitale Frequenzmodulations-SEM benötigt keine analogen Signalverarbeitungsschaltungen wie z. B. den phasenempfindlichen Detektor 14, den Phasenversteller 16 und das Tiefpassfilter 17 und kann daher eine einfachere Konfiguration einsetzen als das in der ersten Ausführungsform beschriebene Frequenzmodulations-SEM. Da die analogen Schaltungen nicht erforderlich sind, kann das Schaltungsrauschen des phasenempfindlichen Detektors 14 und dergleichen reduziert werden, die Form, die Grenzfrequenz und dergleichen des Filters können einfach frei eingestellt werden, und das optimale Filterdesign für das Beobachtungsziel kann erreicht werden. Auf diese Weise kann in dem digitalen Frequenzmodulations-SEM das SNR oder der .Dynamikbereich des Beobachtungsbildes mit einer einfachen Konfiguration auf einfache Weise verbessert werden.
• Vorstehend wurde die vorliegende Offenbarung unter Verwendung der Ausführungsformen und der Modifikatiönsbeispiele beschrieben. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Modifikationsbeispieleeingeschränkt, und es können auch Kombinationen der in den Ausführungsformen und Modifikationsbeispielen beschriebenen Konfigurationen oder Änderungen, Ersetzungen, Streichungen und dergleichen eines Teils der Komponenten vorgenommen werden.
• Zusätzlich sind Sekundärelektronen und rückgestreute Elektronen als Beispiel für die Signalelektronen 11 beschrieben. Die Signalelektronen 11 können jedoch auch andere Elektronen oder andere Ladungsträger sein. Zusätzlich kann Licht oder eine elektromagnetische Welle wie z. B. Röntgenstrahlung detektiert werden, und das Signaldetektionsverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung kann für deren Detektionssignal verwendet werden. Wenn das Detektionsziel Licht oder eine elektromagnetische Welle wie z. B. Röntgenstrahlung ist, kann ein Detektor, der das Licht oder die Röntgenstrahlung detektiert, als Detektor verwendet werden, und ein optischer Spiegel, eine Kondensorlinse oder ein Kondensorspieget kann an einer geeigneten Position angeordnet sein, um das/die von einer Probe emittierte Licht oder Röntgenstrahlung zu detektieren.
• Zusätzlich kann die Probe 10 eine biologische Probe sein. Die biologische Probe wird von einem Elektronenstrahl stärker beeinflusst als ein anorganisches Material. Daher kann man sagen, dass die biologische Probe ein Beobachtungsziel ist, das zur Verwendung im Frequenzmodulations-SEM gemäß der vorliegenden Offenbarung besonders effektiv ist. Wenn die biologische Probe beobachtet wird, muss die Probe in einer Umgebung beobachtet werden, in der die biologische Probe nicht beschädigt wird, beispielsweise indem die Probe in einer Kapsel zur Beobachtung unter Wasser gehalten wird oder indem die Probe in einer Umgebung mit niedrigem Vakuum angeordnet wird.
• Zusätzlich ist das SEM als Beispiel für eine Ladungsträgerstrahlvorrichtung beschrieben. Die Konfiguration und die Effekte der vorliegenden Offenbarung sind jedoch nicht auf die Anwendung auf das SEM eingeschränkt und sind auch auf ein Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM), eine Vorrichtung, bei der ein Ionenstrahl als Ladungsträgerstrahl verwendet wird, oder eine Vorrichtung mit ähnlichen Konfigurationen, die die Funktion zum Bestrahlen mit einem Ladungsträgerstrahl und die Funktion zum Detektieren eines durch die Bestrahlung erzeugten Signals enthält, anwendbar.
• Bezugszeichenliste

1

Elektronenemissionseinheit

2

Primärstrahl

3

Beschleunigungselektrode

4, 7

Fokussierlinse

5

Blende

6

Zerhacker

8

Deflektor,

9

Objektivlinse

10

Probe

11

Signalelektron

12, 90

Signaldetektor

13

Verstärker

14

phasenempfindlicher Detektor

15

Signalgenerator

16

Phasenversteller

17, 77

Tiefpassfilter

18, 71

Computer

21

Abtastsignal

22

Primärstrahlintensität

25

Detektionssignal

27

Referenzsignal

30, 60

vergrößerte Ansicht

31

X-Richtung-Abtastsignal

32

Y-Richtung-Abtastsignal

61

X-Richtung-Abtastsignal

73

AD-Umsetzungseinheit

74

Synchrondetektionseinheit

75

Signalerzeugungseinheit

76

Phasenanpassungseinheit

78

Steuereinheit

81

Abtasthalteschaltung

82

Phasenversteller

91

Szintillator

92

Photovervielfacherröhre

101

virtuelles Detektionssignal

102, 162

spannungsstabiler Bereich

103

Steuerspannung

111

Beschleunigungselektrode

112

Verzögerungselektrode

120

gepulster Primärstrahl

121

Photoanregungselektronenquelle

122

gepulster Laser

123

Photodetektor

131

Hochpassfilter

141

Anzeigeeinheit für erfasst Bilder

142

Signalstärkenmonitor

143

Bedingungseinstellungseinheit

144

Phaseneinstellungseinheit

151

Bereichsauswahleinheit

152

Bedingungseinstellungseinheit

161

Detektionssignal

163

Abtastsignal

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• JP 2018137160 A [0004]
• JP H05275045 A [0004]

Claims (20)

1. Ladungsträgerstrahlvorrichtung, die umfasst: ein optisches System für Ladungsträger, das eine Ladungsträgerquelle, eine oder mehrere Linsen, die konfiguriert sind, einen Ladungsträgerstrahl aus der Ladungsträgerquelle auf eine Probe zu fokussieren, und einen Deflektor, der konfiguriert ist, den Ladungsträgerstrahl abzulenken, um die Probe abzutasten, enthält; ein Detektionssystem, das einen Detektor enthält, der konfiguriert ist, Signalladungsträger oder eine elektromagnetische Welle, die durch Bestrahlen der Probe mit dem Ladungsträgerstrahl emittiert wird, zu detektieren; und einen Computer, der konfiguriert ist, das optische System für Ladungsträger zu steuern, um die Probe mit dem Ladungsträgerstrahl abzutasten, und ein Bild oder ein Signalprofil basierend auf einem von dem Detektor ausgegebenen Detektionssignal zu erzeugen, wenn der Detektor Signalladungsträger oder eine elektromagnetische Welle, die durch Bestrahlung einer einem Pixel entsprechenden Bestrahlungsposition mit dem Ladungsträgerstrahl emittiert wird, detektiert, wobei der Computer wenigstens das optische System für Ladungsträger und/oder das Detektionssystem steuert, um eine Intensität der Signalladungsträger oder der elektromagnetischen Welle, die durch den Detektor detektiert wird, mit einer vorgegebenen Frequenz zu modulieren, und das Bild oder das Signalprofil erzeugt, indem eine Bestrahlungsposition des Ladungsträgerstrahls einer Gleichstromkomponente eines Signals, das durch synchrone Detektion eines Detektionssignals aus dem Detektor an der Bestrahlungsposition mit einem Referenzsignal mit der vorgegebenen Frequenz erfasst wird, zuordnet, und der Computer eine Phasendifferenz zwischen dem Detektionssignal aus dem Detektor und dem Referenzsignal zur synchronen Detektion so steuert, dass sie unabhängig von der Bestrahlungsposition des Ladungsträgerstrahls fest ist.
2. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Computer eine Zeitspanne, in der die einem Pixel entsprechende Bestrahlungsposition mit dem Ladungsträgerstrahl bestrahlt wird, auf ein positives ganzzahliges Vielfaches einer Modulationsperiode der Intensität der durch den Detektor detektierten Signalladungsträger oder der elektromagnetischen Welle einstellt.
3. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das optische System für Ladungsträger die Probe zweidimensional abtastet, indem es die Probe wiederholt mit dem Ladungsträgerstrahl in einer ersten Richtung abtastet, während es die Position in einer Richtung senkrecht zur ersten Richtung verschiebt, und der Computer eine Zeitspanne ab Beginn der Abtastung in der ersten Richtung an einer Position bis zum Beginn der Abtastung in der ersten Richtung an einer nächsten Position als ein positives ganzzahliges Vielfaches einer Modulationsperiode der Intensität der durch den Detektor detektierten Signalladungsträger oder elektromagnetischen Welle einstellt.
4. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das optische System für Ladungsträger die Probe zweidimensional abtastet, indem es die Probe wiederholt mit dem Ladungsträgerstrahl in einer ersten Richtung abtastet, während es die Position in einer Richtung senkrecht zur ersten Richtung verschiebt, und zum Zeitpunkt des Beginns der Abtastung in der ersten Richtung der Computer die Modulation der Signalladungsträger oder der elektromagnetischen Welle, die durch den Detektor detektiert wird, pro Abtastung in der ersten Richtung zurücksetzt, so dass die Modulation der Intensität der Signalladungsträger oder der elektromagnetischen Welle, die durch den Detektor detektiert wird, die gleiche Phase besitzt.
5. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Detektionssystem einen phasenempfindlichen Detektor, der konfiguriert ist, das Detektionssignal aus dem Detektor und das Referenzsignal zur synchronen Detektion einzugeben, und ein Tiefpassfilter, das konfiguriert ist, eine Gleichstromkomponente eines Ausgangssignals des phasenempfindlichen Detektors auszugeben, enthält.
6. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Detektionssystem einen Phasenversteller enthält, der konfiguriert ist, eine Phase des Referenzsignals, das in den phasenempfindlichen Detektor eingegeben wird, anzupassen, und der Computer einen Phasenanpassungsbetrag des Referenzsignals durch den Phasenversteller vor der Erzeugung des Bildes oder des Signalpröfils anpasst.
7. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das optische System für Ladungsträger eine Intensität des Ladungsträgerstrahls pro Flächeneinheit auf der Probe mit der vorgegebenen Frequenz moduliert.
8. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 7, wobei das optische System für Ladungsträger einen Signalgenerator, der konfiguriert ist, ein Steuersignal mit der vorgegebenen Frequenz zu erzeugen, und einen Zerhacker, der basierend auf dem durch den Signalgenerator erzeugten Steuersignal gesteuert wird, enthält, und der Ladungsträgerstrahl in einer Periode des durch den Signalgenerator erzeugten Steuersignals gepulst wird.
9. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Ladungsträgerquelle eine Photoanregungselektronenquelle ist, das optische System für Ladungsträger einen Signalgenerator, der konfiguriert ist, ein Steuersignal mit der vorgegebenen Frequenz zu erzeugen, und einen gepulsten Laser, der basierend auf dem durch den Signalgenerator erzeugten Steuersignal gesteuert wird, enthält, und der Ladungsträgerstrahl ein gepulster Elektronenstrahl ist, der emittiert wird, wenn die Photoanregungselektronenquelle mit gepulstem Licht, das aus dem gepulsten Laser ausgegeben wird und eine Periode des durch den Signalgenerator erzeugten Steuersignals aufweist, bestrahlt wird.
10. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ladungsträgerquelle eine Photoanregungselektronenquelle ist, das optische System für Ladungsträger einen gepulsten Laser, der konfiguriert ist, gepulstes Licht auszugeben, und einen Photodetektor enthält, der Ladungsträgerstrahl ein gepulster Elektronenstrahl ist, der emittiert wird, wenn die Photoanregungselektronenquelle mit dem aus dem gepulsten Laser ausgegebenen gepulsten Licht bestrahlt wird, und ein Ausgangssignal, das von dem Photodetektor ausgegeben wird, wenn der Photödetektor das aus dem gepulsten Laser ausgegebene Licht detektiert, als das Referenzsignal eingestellt wird.
11. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Detektionssystem die Intensität der Signalladungsträger oder der elektromagnetischen Welle, die durch den Detektor detektiert wird, mit der vorgegebenen Frequenz moduliert.
12. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Detektor einen Signalgenerator, der konfiguriert ist, ein Steuersignal mit der vorgegebenen Frequenz zu erzeugen, einen Szintillator, der konfiguriert ist, Elektronen, die durch Bestrahlen der Probe mit dem Ladungsträgerstrahl emittiert werden, in Licht umzusetzen, und eine Photovervielfacherröhre, die konfiguriert ist, das umgesetzte Licht zu detektieren, enthält, und das Detektionssystem eine an den Szintillator angelegte Spannung mit der vorgegebenen Frequenz basierend auf dem durch den Signalgenerator erzeugten Steuersignal moduliert.
13. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Detektionssystem einen Verstärker, der konfiguriert ist, das Detektionssignal aus dem Detektor zu verstärken, enthält, und das Detektionssignal aus dem Detektor, das durch den Verstärker verstärkt ist, gefiltert und nachfolgend der synchronen Detektion mit dem Referenzsignal unterzogen wird.
14. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Computer das Detektionssignal aus dem Detektor in ein digitales Signal umsetzt und das digitale Signal erfasst, und eine Abtastfrequenz, mit der der Computer das Detektionssignal aus dem Detektor in ein digitales Signal umsetzt, das Doppelte oder mehr der Modulationsfrequenz der Intensität der Signalladungsträger oder der elektromagnetischen Welle, die durch den Detektor detektiert wird, ist.
15. Probenbeobachtungsverfahren unter Verwendung einer Ladungsträgerstrahlvorrichtung, die ein optisches System für Ladungsträger, ein Detektionssystem und einen Computer enthält, wobei das optische System für Ladungsträger eine Ladungsträgerquelle, eine oder mehrere Linsen, die konfiguriert sind, einen Ladungsträgerstrahl aus der Ladungsträgerquelle auf eine Probe zu fokussieren, und einen Deflektor, der konfiguriert ist, den Ladungsträgerstrahl abzulenken, um die Probe abzutasten, enthält, das Detektionssystem einen Detektor, der konfiguriert ist, Signalladungsträger oder eine elektromagnetische Welle, die durch Bestrahlen der Probe mit dem Ladungsträgerstrahl emittiert wird, zu detektieren, enthält, und wobei das Probenbeobachtungsverfahren umfasst: Ermöglichen, dass der Computer das optische System für Ladungsträger und/oder das Detektionssystem so einstellt, dass eine Intensität der Signalladungsträger oder elektromagnetischen Welle, die durch den Detektor detektiert wird, mit einer vorgegebenen Frequenz moduliert wird; Ermöglichen, dass das optische System für Ladungsträger die Probe mit dem Ladungsträgerstrahl abtastet; Ermöglichen, dass der Computer ein Bild oder ein Signalprofil basierend auf einem aus dem Detektor ausgegebenen Detektionssignal erzeugt, wenn der Detektor Signalladungsträger oder eine elektromagnetische Welle, die durch Bestrahlung einer einem Pixel entsprechenden Bestrahlungsposition mit dem Ladungsträgerstrahl emittiert wird, detektiert; Erzeugen des Bildes oder des Signalprofils durch Zuordnen einer Bestrahlungsposition des Ladungsträgerstrahls zu einer Gleichstromkomponente eines Signals, das durch synchrone Detektion eines Detektionssignals aus dem Detektor an der Bestrahlungsposition mit einem Referenzsignal mit der vorgegebenen Frequenz erfasst wird; und Steuern einer Phasendifferenz zwischen dem Detektionssignal aus dem Detektor und dem Referenzsignal zur synchronen Detektion so, dass sie unabhängig von der Bestrahlungsposition des Ladungsträgerstrahls fest ist.
16. Probenbeobachtungsverfahren nach Anspruch 15, wobei der Computer eine Zeitspanne, in der die einem Pixel entsprechende Bestrahlungsposition mit dem Ladungsträgerstrahl bestrahlt wird, auf ein positives ganzzahliges Vielfaches einer Modulationsperiode der Intensität der durch den Detektor detektierten Signalladungsträger oder elektromagnetischen Welle einstellt.
17. Probenbeobachtungsverfahren nach Anspruch 16, wobei der Computer eine Zeitspanne, in der die einem Pixel entsprechende Bestrahlungsposition mit dem Ladungsträgerstrahl bestrahlt wird, auf ein positives ganzzahliges Vielfaches einer Modulationsperiode der Intensität der durch den Detektor detektierten Signalladungsträger oder elektromagnetischen Welle einstellt, wobei das positive ganzzahlige Vielfache abhängig von Bereichen der Probe variiert.
18. Probenbeobachtungsverfahren nach Anspruch 15, wobei der Computer eine Phasendifferenz zwischen dem Detektionssignal aus dem Detektor und dem Referenzsignal zur synchronen Detektion vor der Erzeugung des Bildes oder des Signalprofils anpasst.
19. Ladungsträgerstrahlvorrichtung, die umfasst: ein optisches System für Ladungsträger, das eine Ladungsträgerquelle, eine oder mehrere Linsen, die konfiguriert sind, einen Ladungsträgerstrahl aus der Ladungsträgerquelle auf eine Probe zu fokussieren, und einen Deflektor, der konfiguriert ist, den Ladungsträgerstrahl abzulenken, um die Probe abzutasten, enthält; ein Detektionssystem, das einen Detektor enthält, der konfiguriert ist, Signalladungsträger oder eine elektromagnetische Welle, die durch Bestrahlen der Probe mit dem Ladungsträgerstrahl emittiert wird, zu detektieren; einen Computer, der konfiguriert ist, das optische System für Ladungsträger zu steuern, um die Probe mit dem Ladungsträgerstrahl abzutasten, und ein Bild oder ein Signalprofil basierend auf einem aus dem Detektor ausgegebenen Detektionssignal zu erzeugen, wenn der Detektor Signalladungsträger oder eine elektromagnetische Welle, die durch Bestrahlung einer einem Pixel entsprechenden Bestrahlungsposition mit dem Ladungsträgerstrahl emittiert wird, detektiert, wobei der Computer das optische System für Ladungsträger und/oder das Detektionssystem steuert, um eine Intensität der Signalladungsträger oder der elektromagnetischen Welle, die durch den Detektor an einer vorgegebenen Frequenz detektiert wird, zu modulieren, und das Bild oder das Signalprofil erzeugt, indem eine Bestrahlungsposition des Ladungsträgerstrahls einer Gleichstromkomponente eines Signals, das durch synchrone Detektion eines Detektionssignals aus dem Detektor an der Bestrahlungsposition mit einem Referenzsignal mit der vorgegebenen Frequenz erfasst wird, zuordnet, und der Computer das Detektionssignal aus dem Detektor in ein digitales Signal umsetzt und das digitale Signal basierend auf einem Abtastsignal erfasst, eine Frequenz des Abtastsignals auf das Doppelte oder mehr einer Modulationsfrequenz der Intensität der durch den Detektor detektierten Signalladungsträger oder elektromagnetischen Welle einstellt und eine Steuerung ausführt, so dass die Modulation der Intensität der durch den Detektor detektierten Signalladungsträger und elektromagnetischen Welle und das Abtastsignal mit einer vorgegebenen Phasendifferenz synchron sind.
20. Ladungsträgerstrahlvorrichtung nach Anspruch 19, wobei die vorgegebene Phasendifferenz so bestimmt wird, dass ein Pixelwert des Bildes oder des Signalprofils maximiert wird.

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