JP2001143649A

JP2001143649A - 走査形電子顕微鏡

Info

Publication number: JP2001143649A
Application number: JP2000318232A
Authority: JP
Inventors: Mitsugi Sato; 佐藤　　貢; Yoichi Ose; 洋一小瀬; Satoru Fukuhara; 福原　　悟; Hideo Todokoro; 秀男戸所; Makoto Esumi; 真江角
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2001-05-25

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、軸収差を低減する直交電磁界
発生器を採用した走査形電子顕微鏡において、反射電子
や高加速の二次電子を検出する際の色収差発生を抑制す
ることにある。【構成】上記目的を達成するために、直交電磁界発生器
によって偏向される電子の軌道上に二次電子変換電極を
配置し、二次電子変換電極で変換された二次電子を偏向
して検出する構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子線装置に係り、特に
試料から発生した反射電子或いは高加速の二次電子を検
出し、高分解能像を得るのに好適な走査電子顕微鏡に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、走査電子顕微鏡では反射電子を検
出するために、二次電子検出器とは別の検出器（半導体
やシンチレータ）を試料の上部（電子源側）に配置して
検出していた。しかし、一次電子の加速電圧が数ｋＶま
たは、それ以下の低加速電圧になると、試料から発生す
る反射電子のエネルギーも一次電子のそれと同程度であ
るため、従来の検出器では十分な感度が得られないとい
う欠点があった。このような低加速の反射電子を検出す
る方法として、反射電子検出器の検出面に、ある一定の
電圧を印加して反射電子を加速して検出する方法が取ら
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】昨今の走査形電子顕微
鏡は、試料と対物レンズ間の距離（ワーキングディスタ
ンス）を短くすることで高分解能化を実現している。よ
って対物レンズと試料の間に検出器を設けることは事実
上困難であり、対物レンズのレンズ主面より電子源側に
検出器が設けられている。

【０００４】また試料から放出される反射電子や高加速
の二次電子は、その多くが電子源方向（一次電子線の照
射源方向）に向かうため、レンズ主面より電子源側にお
いて、一次電子線の軸外へ偏向し、検出することが望ま
しい。しかしながら一次電子線と同等の加速電圧を有す
る反射電子や、高加速の二次電子を軸外に偏向するため
には大きな偏向力を必要とする。

【０００５】二次電子を軸外に偏向する手段として、例
えば特開平２−１４２０４５号公報に開示されているよ
うな直交電磁界発生器がある。この直交電磁界発生器は
電界によって二次電子を検出器側に偏向すると共に、こ
の電界の一次電子線への影響を相殺し且つ二次電子を検
出器側に導くように電界と直交する方向に磁界を発生さ
せることで、一次電子線の軸外収差を抑制しつつ、二次
電子の検出効率を高めるためのものである。

【０００６】しかしながらこの電磁界発生器は、一次電
子線を電界と磁界によって互いに反対の方向に引き合う
ため、高加速の二次電子や反射電子を大きく偏向しよう
とすると、一次電子線を異なる方向に引き合う作用も大
きくなり、その結果色収差が増大する。

【０００７】一方、色収差低減のために偏向力を弱くす
るには、一次電子線光軸に検出器を近接して配置しなけ
ればならず、他の構成との関係上、走査形電子顕微鏡鏡
体の構造が制約されるという問題がある。

【０００８】本発明の目的は上記問題を解決し、軸外収
差を低減する電磁界発生器を採用した走査形電子顕微鏡
において、反射電子や高加速の二次電子を検出する際の
色収差の発生を低減することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、試料から放出される電子を、一次電子線の軸外に偏
向する電界を発生する電界発生器と、電界発生器と同じ
方向に試料から放出される電子を偏向する磁界を発生す
る磁界発生器と、電界発生器と磁界発生器によって偏向
される電子の軌道上に配置され、試料から放出される電
子の衝突によって二次電子を発生する二次電子変換電極
を備え、検出器は二次電子変換電極で発生した二次電子
を偏向して検出することを特徴とする走査形電子顕微鏡
を提供する。

【００１０】

【作用】反射電子や高加速の二次電子を、二次電子変換
電極によってエネルギーの低い二次電子に変換して検出
するので、強く偏向せずとも一次電子線光軸から離間し
た検出器まで、その二次電子を導くことができる。よっ
て、色収差の発生を抑制することができる。またエネル
ギーの弱い二次電子は軌道制御が容易であるので、その
被検出対象たる電子を検出器に導くことが容易になる。

【００１１】

【実施例】図１は本発明の走査形電子顕微鏡の一実施例
を示す図面である。

【００１２】陰極１０１と第一陽極１０２に印加される
電圧Ｖ１により陰極１０１から放射された一次電子線１
０４は、第二陽極１０３に印加される電圧Ｖａｃｃに加
速されて後段のレンズ系に進行する。この一次電子線１
０４は、集束レンズ制御回路１７０で制御された集束レ
ンズ１０５と対物レンズ制御回路１７４で制御された対
物レンズ１０６により試料１０７に微小スポットとして
集束され、二段の偏向コイル１０８で試料上を二次元的
に走査される。偏向コイル１０８の走査信号は、入力装
置１５４により指定された観察倍率に応じて、ＣＰＵ１
５０によって偏向制御回路１７６を介し制御される。

【００１３】そして、本発明の一実施例では光軸上に二
次電子１０９を透過できる多孔電極１１２と対向電極１
１１および該電極で発生する電界Ｅとほぼ直交する磁界
Ｂを発生させる図２で示した磁界発生用コイル２１３，
２１４を配置して二次電子１０９と反射電子１１０の軌
道を分離し、分離されて多孔電極１１２を透過した二次
電子１０９の軌道を見込む位置に二次電子検出器１２０
と、二次電子と分離された反射電子軌道を見込む位置に
反射電子検出器１２１を配置して両電子を分離して検出
する構成となっている。

【００１４】この構成により、一次電子線１０４は多孔
電極１１２と対向電極１１１で発生する電界Ｅと同一方
向に偏向する力を受ける。一方、直交磁界発生コイル２
１３，２１４により電界Ｅと直交する磁界Ｂが生成され
るので、一次電子線１０４はローレンツ力を受けて磁界
Ｂと光軸（一次電子線の進行方向）とにそれぞれ直交す
る方向、すなわち電界Ｅの向きと同一直線上の力を受け
る。従って、磁界Ｂの極性および強さを適切に選べば電
界Ｅによる一次電子線の軌道の曲がりを磁界Ｂで完全に
打ち消すことができる。また、光軸近傍では電界Ｅと磁
界Ｂがほぼ均一なため、不均一な電磁界分布に起因する
非点収差等は生じず最終的には何の作用も受けずに対物
レンズ１０６に入射する。

【００１５】この試料１０７の一次電子線照射点からは
二次電子１０９と反射電子１１０が放出される。二次電
子１０９は、対物レンス１０６による磁界の影響で螺旋
運動をしながら上部へ進行し、多孔電極１１２と対向電
極１１１で生成する電界Ｅおよび直交磁界発生コイル２
１３，２１４で生成する磁界Ｂの作用で強く偏向される
ため、多孔電極１１２を透過して二次電子検出器１２０
に捕捉される。また、反射電子１１０は、エネルギーが
高いため、直交電磁界の作用を受けても多孔電極を透過
する程度までには偏向されず、その軌道を少し曲げてさ
らに上部に進行する。しかし、この反射電子軌道を見込
む位置に検出器１２１が配置されているため、反射電子
１１０は反射電子検出器１２１に捕捉される。

【００１６】反射電子検出器１２１からの信号は可変増
幅器１６０に入力され、又、二次電子検出器１２０から
の信号も可変増幅器１６２に入力され、それぞれの信号
はおのおのゼロを含む任意の利得で増幅された後Ａ／Ｄ
変換器１７８，１８０によりディジタル信号に変換され
て、データバス１５８に入力される。そしてこれらの信
号はＣＰＵ１５０により信号処理され、その後、又は信
号処理される前にもメモリ等による記憶手段１５２にデ
ータ信号を記憶させている。そして、記憶手段１５２に
記憶された反射電子，二次電子の信号、又は処理された
信号を用いてＣＰＵ１５０はインターフェース１５６を
介して、ＣＲＴ等の表示装置１２５に試料の反射電子
像，二次電子像、そして処理された信号による拡大され
た試料像を表示している。また、記憶手段を介さなくて
も、試料１０７を走査している時に、それらの試料像を
リアルタイムで表示する機能を持つ。

【００１７】また、上記実施例では固定状態で示した
が、入力装置１５４からの指示によりＣＰＵ１５０は電
子線の加速電圧Ｖａｃｃの値、そして、反射，二次電子
検出器の捕捉電界の強さ、さらには、集束，対物レンズ
の電流値を可変する機能を持つ。

【００１８】図２，図３は本発明の走査電子顕微鏡の電
界、及び磁界の一実施例を詳細に示したものである。

【００１９】多孔電極１１２と対向電極１１１との間に
±Ｖｅ（Ｖ）の電位差を与えて電界Ｅを発生させると、
加速電圧Ｖａｃｃの一次電子線１０４は、Ｖｅ／Ｖａｃ
ｃに比例した角度θｅ＝Ｋｅ・Ｖｅ／Ｖａｃｃだけ偏向
される。ここで、Ｋｅは多孔電極１２および対向電極１
１の形状や配置で決まる定数である。

【００２０】一方、直交磁界発生コイル２１３，２１４
に励磁電流Ｉｂ（Ａ）を流すと電界Ｅと直交する磁界Ｂ
が発生し、一次電子線１０４は１ｂ／√Ｖａｃｃに比例
した角度θｂ＝Ｋｂ・Ｉｂ／√Ｖａｃｃだけ電界による
偏向とは逆向きに偏向される。ここで、Ｋｂは、直交磁
界発生コイル２１３，２１４の形状や配置で決まる定数
である。互いに直交する電界Ｅと磁界Ｂが同時に存在す
る場合には、電界Ｅと磁界Ｂによる力の合成で一次電子
線の軌道が決まるため、θｅ＝θｂに選べば一次電子線
は偏向作用を受けずに直進する。

【００２１】一方、試料１０７から発生した二次電子１
０９と反射電子１１０は、一次電子１０４と進行方向が
逆向きであるため、電界と磁界とで同一方向、即ち、多
孔電極側に偏向される。したがって、θｅとθｂを一定
に保てば、一次電子とほぼ同エネルギーを持つ反射電子
は、常に一定の角度で多孔電極側に偏向される。

【００２２】この時、試料から発生する反射電子は一次
電子とほぼ同じエネルギーをもっているので、図３に示
された直交する電界と磁界で反射電子が偏向される角度
θ_BSE は、θ_BSE ＝θｅ＋θｂで与えられる。

【００２３】よって、一次電子が偏向されない条件： θｅ＝θｂおよび反射電子の偏向角θ_BSE が一定となる条件： θ_BSE ＝θｅ＋θｂ＝一定の両方を満たすように、電極に印加する電圧Ｖｅとコイ
ルに流す励磁電流Ｉｂ（Ａ）とを設定することで目的を
達成できる。以上のことより、電圧Ｖｅと電流Ｉｂとの
関係をＶｅ＝Ｋ・ＶａｃｃＩｂ＝Ｋ・(Ｋｅ／Ｋｂ)・√Ｖａｃｃすればよい。ここで、Ｋは、反射電子の偏向角度θ_BSE
を決める定数である。

【００２４】また、二次電子に関しては、そのエネルギ
ーがきわめて小さいため、直交電磁界で強く偏向されて
多孔電極１１２を透過してしまう。したがって、反射電
子の軌道を見込む位置と多孔電極を見込む位置におのお
の電子検出器を配置すると、反射電子と二次電子とが分
離して検出される。

【００２５】図４は、二次電子と反射電子を分離して検
出するための他の実施例を示している。

【００２６】図３に示した本発明の一実施例では、二次
電子と分離された反射電子軌道上に反射電子を二次電子
に変換する二次電子変換電極４４０を配置してこの電極
にアースまたは負の電圧を印加すると反射電子は電極に
衝突して、電極表面からエネルギーの小さい二次電子を
発生する。直交電磁界の強さは、一次電子線１０４に対
して偏向作用を及ぼさないように設定されているが、一
次電子に比較してエネルギーの小さい二次電子４５０
は、磁界よりも電界によって強く曲げられる。その結
果、多孔電極側に強く偏向されて多孔電極１１２を透過
し、多孔電極を見込む位置に配置された検出器で検出さ
れる。また、多孔電極１１２の下部に軸対称電極４４１
を配置してこの電極に適当な負の電圧を印加すると、試
料から発生した二次電子はこの軸対称電極を進行できず
に試料側にはね返され、エネルギーの高い反射電子のみ
が多孔電極上部に配置した変換電極４４０で二次電子４
５０に変換される。この変換された二次電子４５０は、
試料からの反射電子情報を反映しているため、この信号
で像形成することは、試料からの反射電子信号で像形成
することと等価となる。

【００２７】また、二次電子変換電極４４０は、単に反
射電子の軌道上に別の検出器を用いた場合と比較して、
高い検出効率を得ることができる。シンチレータ等の検
出器を反射電子の軌道上に直接配置した場合、検出面を
大きくとることが検出効率の向上につながるが、シンチ
レータと共にシンチレータで発生した蛍光を導出する部
材等も大きく形成する必要がある。しかしながら定めら
れた光学条件に基づく、限られたスペースの中に、検出
器だけではなく電磁レンズや走査偏向器等を配置しなけ
ればならない。

【００２８】先に説明したように高加速の二次電子や反
射電子を大きく曲げるためには、単に二次電子を曲げる
場合と比較して大きな偏向力を必要とする。本実施例装
置で採用している直交電磁界発生器は、電界による一次
電子線への影響（軸ずれ）を抑制するために、電界と直
交する方向に磁界を発生させ、電界によって偏向を受け
る一次電子線を元に戻すように作用させている。しかし
ながらこのような直交電磁界発生器は、ウィンフィルタ
ーエネルギー分光器と同等の作用により、一次電子線を
エネルギー分散させることになるため、大きな偏向力の
発生により、色収差の問題が大きくなる。

【００２９】また、反射電子等をそれ程偏向せずに直接
検出しようとした場合、シンチレータ式の検出器は一次
電子線の照射点に向かって、その検出面を方向づける必
要がある。このことは、一次電子線の光軸方向に長い物
体を、一次電子線の光軸に極めて近い位置に配置する必
要があることを示している。このような条件下におい
て、シンチレータの検出面を拡大することは、それに伴
って大型化する他部材等と他の光学素子との配置関係か
ら見て極めて困難である。

【００３０】一方、二次電子変換電極４４０は、シンチ
レータで発生した蛍光を導出する素子等を設ける必要が
なく、また二次電子変換電極で発生した二次電子は、エ
ネルギーの高い反射電子などと比較して軌道制御が容易
であるので、シンチレータ等を反射電子の軌道上に配置
する場合と比較して、一次電子線光軸から離間して配置
することができ、検出器の配置の自由度が向上する。

【００３１】また、対物レンズの集束条件の変化等によ
って反射電子の軌道が変わることがあるため、反射電子
等を受ける面は大きく形成することが望ましいが、上述
した理由により、シンチレータの検出面を大きくするこ
とは事実上困難である。それに対して大型化が容易な二
次電子変換電極４４０によれば、反射電子や高加速の二
次電子の検出効率を向上させることができる。

【００３２】更にシンチレータには高加速に加速させた
電子を衝突させる必要があるが、このような加速エネル
ギーを発生させるためには、強大な吸引電界を形成しな
ければならない。このような強大な電界を発生する素子
が一次電子線の近傍に存在すると、一次電子線へも影響
を与え収差発生の原因ともなるので、やはり一次電子線
光軸より或る程度離間した位置に配置することが望まし
い。只、光軸よりシンチレータを離間させるということ
は、被検出対象の電子の発生源からもシンチレータが離
れることになり、そこまで被検出対象たる電子を適正に
導く必要がある。

【００３３】二次電子変換電極４４０の採用は、このよ
うに相反する問題をも解消することができる。何故なら
先に説明したように二次電子変換電極４４０に衝突し、
そこから発生する二次電子は加速電圧が低いため、反射
電子などに比べて容易に所望の方向に導くことができる
からである。

【００３４】試料に低加速（例えば数ｋｅＶ以下）の一
次電子線を照射するいわゆる低加速ＳＥＭの反射電子
は、直接シンチレータ等に衝突させて検出するには加速
電圧が弱く、反面電界等によってシンチレータ等の検出
面に向かって適正に方向付けるには加速電圧が強いとい
う問題がある。反射電子を一旦加速電圧の低い二次電子
に変換した上で、検出器に導く本実施例の手法は、この
ような問題も容易に解決することができる。

【００３５】また、図４に示す二次電子検出器１２０
は、二次電子変換電極４４０で発生し、引き込まれる二
次電子と、試料から放出され電磁界発生器によって偏向
される二次電子を同じように検出できるため、電磁界発
生器によって広い範囲に軌道分散（エネルギー分散）す
る反射電子、及び二次電子を高効率に検出することがで
きる。

【００３６】以上説明した効果の程度は、走査形電子顕
微鏡を構成する構成素子の大きさや種類等によって変化
するものであるが、二次電子変換電極の採用はこれらの
問題の解決を容易に実現できる。

【００３７】図３から明らかなように、二次電子変換電
極４４０と多孔電極下部の軸対称電極４４１の印加電圧
の極性の組み合わせで、二次電子と反射電子を選択して
検出したり、合成して検出することができる。

【００３８】例えば、二次電子変換電極４４０に対し、
切換スイッチ４４２で正または負の電圧が印加できるよ
うにし、また、多孔電極１１２の下部(試料側)には軸対
称電極４４１が配置され、切換スイッチ４４３で正また
は負の電圧が印加できるようになっている。電極４４０
に適当な負の電圧を印加すれば、電極４４０に衝突した
反射電子１１０は電極表面で二次電子４５０を放出す
る。また、電極４４０に適当な正の電圧を印加すれば電
極に反射電子が衝突しても二次電子は電極４４０の電位
に抑制されるため電極４４０から放出されない。一方、
電極４４１に適当な正の電圧を印加すれば試料から発生
した二次電子１０９は多孔電極部に進行できるが、適当
な負の電圧を印加すれば電極４４１を透過できずに試料
側にはね返されてしまう。したがって、電極４４０およ
び電極４４１に印加する電圧の極性を切り換えること
で、検出器１２０で二次電子１０９と反射電子１１０を
選択的に検出したり、二次電子１０９と反射電子１１０
の両方を同時に検出したりでき、またそれらの検出した
信号は上記図１の実施例で示した場合と同様に、ＣＲＴ
を備えた表示装置１２５に画像として示すことが可能に
なる。

【００３９】図５，図６は本発明の走査形電子顕微鏡で
一例の試料を測定した場合の表示画面を示している。

【００４０】図５は半導体基板（シリコンオキサイド）
に設けられたフォトレジスト５１２のコンタクトホール
５１０を測定した実施例である。

【００４１】図５（ａ）は測定対象の概略形状を示し、
コンタクトホール開口部近辺に起伏５１４があり、その
開口部近辺の試料表面が負に帯電している状態を表して
いる。

【００４２】図５（ｂ）はこのコンタクトホールを開口
部方向から二次電子で走査した像を示しており、コンタ
クトホールの帯電していない壁面、底の部分の正確な像
情報が得られているが、帯電している試料開口部近辺の
正確な像状態は得られていないことを示している。

【００４３】図５（ｃ）は一次電子で試料を走査し反射
電子信号による試料表面像を現しており、コンタクトホ
ールの底の部分の像は得られていないが、試料開口部近
辺の正確な起伏状態が得られていることを示している。

【００４４】通常、一次電子で試料を走査したことによ
り発生する二次電子信号は、試料の表面から放出される
エネルギーの低い（数エレクトロンボルト程度）電子で
あるため、試料の表面から放出され試料の凹凸状態を忠
実に反映するため電子線の試料内散乱の影響を受けず、
高い空間分解能の情報を備える特徴を持っている。

【００４５】しかし、従来の二次電子信号による分析方
法においては、試料表面が負に帯電（以下、チャージア
ップと表現する）していると、二次電子の上昇がチャー
ジアップによって妨げられてしまい、このため、コンタ
クトホール開口部近辺の起伏、即ち試料表面の凹凸状態
を忠実に反映することが出来なくなってしまう現象があ
り、この現象により帯電している試料開口部近辺の正確
な像情報が得られていないことを図５（ｂ）の試料像は
示している。

【００４６】これに対し図５（ｃ）に示した試料像は反
射電子によるものであるが、二次電子では得られていな
い、試料開口部近辺の正確な起伏状態が判明しているこ
とを示している。

【００４７】以下、本発明の走査形電子顕微鏡におい
て、反射電子により正確な試料像を検出することができ
る理由を述べる。

【００４８】従来の反射電子検出方法においては、エネ
ルギーが高い高加速電圧の一次電子で試料を走査してい
るので試料の深部に入り込み、これに対応して試料の深
部からエネルギーが高い反射電子（ほぼ加速電圧と同じ
エネルギー）を発生させるものである。このため一次電
子線の試料内部散乱の影響で反射電子の発生領域が広が
り空間分解能は低下するが、その信号は試料表面の凹凸
状態の他に組成情報を多く含む特徴を持っているため、
従来方法においては主に試料内の組成情報を得るために
エネルギーが高い反射電子を検出していた。

【００４９】また、従来の反射電子検出方法として、低
加速の一次電子で試料を走査し、試料の表面近くで反射
電子を発生させ、なるべく空間分解能を低下させずに反
射電子を検出する方法も存在するが、従来例の方法では
試料に一次電子を照射することにより発生する二次電子
と、反射電子を正確に分別して検出する手段がなく、反
射電子信号として取られた信号には二次電子が混入して
しまっていたため、結果的に高い分解能を持つ反射電子
検出方法は存在しなかった。

【００５０】これに対し、本発明の装置においては、電
子源から試料までの光学系上に、試料から生じた反射電
子および二次電子の軌道を分離する電磁界を設け、そし
て生じた反射電子の軌道上にこの反射電子を検出する反
射電子検出器を設置し、また二次電子の軌道上にこの二
次電子を検出する二次電子検出器を設置しているので、
反射電子と二次電子を個別に検出することが出来るの
で、反射電子のみによる試料像を形成することを可能に
している。

【００５１】そして、本発明の一次電子照射，反射電子
検出方法においては、従来の反射電子の発生方法と異な
り加速電圧を低く、即ちエネルギー状態を低くした場合
においても、反射電子と二次電子を正確に分別して、低
いエネルギー状態の反射電子のみで試料像を形成するこ
とを可能にしている。

【００５２】このため、加速電圧が低い一次電子は試料
表面の浅い部分にしか入り込まず、試料からの反射電子
は浅い部分から放出されるようになるため、この反射電
子の信号は、空間分解能の高いものとする。よって、こ
の状態の反射電子の信号を検出することにより従来の二
次電子走査と同等の空間分解能で試料像を形成すること
を可能にしている。

【００５３】また、絶縁物等の観察において試料が負に
帯電(チャージアップ)している場合においても、上述し
たようにエネルギーの低い二次電子はその発生過程で試
料表面の帯電の影響を受けるため、二次電子信号には試
料の凹凸情報が忠実に反映されなくなるが、二次電子に
比較してエネルギーレベルの高い反射電子では、帯電の
影響を受けないため、試料の帯電があっても試料の凹凸
情報を安定して得られるようになる。これから、本発明
の一次電子照射，反射電子検出方法により、試料表面の
情報を、その表面が帯電していても正確に検出できるこ
とを、図５(ｃ)の開口部近辺の試料像は示している。

【００５４】また本発明の装置によれば基本的に反射電
子のエネルギー状態に係らず検出できるようになるの
で、エネルギーが高い状態の反射電子を検出し、試料の
組成を調べる場合にも、反射電子と二次電子とを明確に
分別して検出し、正確な組成分析を行うことが可能にな
る。

【００５５】そして、本発明の走査型電子顕微鏡によれ
ば、一次電子照射に同期して、反射電子信号，二次電子
信号それぞれのみを個別に検出し、また同時に検出でき
るので、試料が帯電しない状態で凹凸情報のみを高分解
能に観察する場合には、二次電子のみを検出し、一方、
組成情報のみを主に観察したい場合、また帯電している
試料の凹凸観察には、反射電子のみを検出し、凹凸情報
と組成情報の両方を観察するには、二次電子と反射電子
の両方を検出することを可能にしている。このため、目
的や試料の状態に応じて二次電子信号と反射電子信号を
選択的に検出あるいは合成することができるので、あら
ゆるアプリケーションに対応することができる。

【００５６】さらに、本発明の走査型電子顕微鏡によれ
ば、反射電子信号による対象試料の像と、二次電子信号
による対象試料の像を重ねあわせて試料像の情報を構築
することを可能にしている。

【００５７】例えば、図５（ｂ）の二次電子信号による
対象試料の像は、コンタクトホールの開口部が帯電して
いるためその側面，底部しか正確な試料凹凸情報を得ら
れていないが、図５（ｃ）の反射電子信号によれば、開
口部の正確な凹凸情報が得られているため、これら２つ
の試料像を重ねあわせること、即ち、コンタクトホール
の内部を二次電子信号による試料像で、その外部を反射
電子による試料像を用いることにより、コンタクトホー
ル全体の対象試料の情報を得ることが可能になる。

【００５８】図６は半導体基板（シリコンオキサイド）
に設けられたフォトレジスト５１２のコンタクトホール
５１０の断面を測定した実施例である。

【００５９】図６(ａ）は測定対象の概略形状を示し、
半導体基板(シリコンオキサイド）上に形成されたフォ
トレジスト中に、レジスト形成中に発生した定在波５２
０がいくつかの層状に存在していることを表している。
尚、このフォトレジスト５１２は帯電していない状態に
ある。

【００６０】図５（ｂ）はこのコンタクトホール５１０
の断面を断面方向から一般的な一次電子走査，二次電子
検出方法で構成した試料像を示しており、表面の帯電に
より試料表面の状態が正確に得られていないことを示し
ている。

【００６１】図５（ｃ）は一次電子走査，反射電子検出
方法による試料像を示しているが、試料からの反射電子
には対象試料中の組成情報が多く含まれるので、これを
検出することによって試料の凹凸状態が正確に観察で
き、このレジスト形成時に発生した定在波が、いくつか
の層を形成して存在していることが示されている。

【００６２】これは、反射電子が二次電子と比較して試
料の深部から発生し、この反射電子信号にはその組成の
相違が現れるようになるためである。従って本試料のよ
うに試料表面全体が帯電による電位分布を有する場合に
は、二次電子信号よりも反射電子信号による像形成が有
用になる。

【００６３】そして、本発明の走査型電子顕微鏡によれ
ば、一次電子照射に同期して、反射電子信号，二次電子
信号それぞれを明確に分離して同時に検出できるので、
試料の凹凸情報と組成情報の両方を精密に対比して観察
することを可能にしている。

【００６４】さらに、本発明の走査型電子顕微鏡によれ
ば、反射電子信号による対象試料の像と、二次電子信号
による対象試料の像を重ねあわせて試料像の情報を構築
することが可能になる。

【００６５】本実施例の図６（ｂ）の二次電子信号によ
れば、正確な試料表面情報が得られ、図６（ｃ）の反射
電子信号によれば、レジストの組成状態の情報が得られ
ているため、これら２つの試料像を重ねあわせること、
例えば、実施例においての一方の輝度信号を反転するよ
うに信号処理して互いに重ねあわせることにより、試料
の表面状態と組成状態を容易に比較して表示できる。

【００６６】また、表示するための信号処理方法として
は、単にそれぞれの画像の輝度調整のみでなく、それぞ
れの画像状態に応じて所定の色情報を付加することによ
っても、試料の表面状態と組成状態を容易に比較して表
示することも可能である。

【００６７】図７に本発明の一実施例の走査形電子顕微
鏡における、反射電子，二次電子の信号表示処理手順を
示すフローチャートを示す。

【００６８】試料像の処理を開始し（ステップ７０
２）、入力装置１５４から反射電子，二次電子の検出方
法が入力される（ステップ７０４）。この時の検出方法
としては、一回の一次電子線による照射によって、反射
電子，二次電子を同時に検出する方法、また反射電子，
二次電子の一方のみを検出する方法、更には一回の一次
電子線走査により反射電子，二次電子の一方を検出し、
この走査を複数回くり返すことによって試料像を得る操
作を指定する。

【００６９】そして、反射電子，二次電子を検出する
（ステップ７０６）。これらの検出方法としては、上記
ステップ７０４での指定に従い、反射電子，二次電子を
同時に、また個別に検出する。

【００７０】検出された反射電子，二次電子信号は記憶
手段１５２のメモリへ記憶される（ステップ７０８）。

【００７１】記憶された反射電子，二次電子信号はＣＰ
Ｕ１５０の制御により、表示装置１２５に反射電子，二
次電子信号による試料像が個別に表示される（ステップ
７１０）。

【００７２】操作者はこれらの画像を見て、入力装置１
５４からいろいろな画像信号処理の指定をＣＰＵ１５０
に対し入力する（ステップ７１２）。

【００７３】処理ａでは反射電子，二次電子信号の一方
の検出信号レベルを反転(リバース)する（ステップ７１
４）。これにより、分析確認したい部分のそれぞれの信
号レベルが高く、画像信号を合成した場合に表示がつぶ
れてしまう時でも、反射電子，二次電子信号による試料
画像の違いを表示装置１２５に表示できる。

【００７４】処理ｂでは反射電子，二次電子信号の一
方、又は互いの検出信号レベルを表示装置１２５への表
示する色信号に変換し合成する（ステップ７１６）。こ
れにより、同一の試料に対し、反射電子，二次電子信号
により微妙に異なる部分を色の差として明確に区別して
表示することが可能になる。

【００７５】処理ｃでは反射電子，二次電子信号の一
方、又は互いの検出信号レベルを変換し合成する（ステ
ップ７１８）。これにより、同一の試料に対し、反射電
子，二次電子信号により異なる部分を強調した輝度信号
として、明確に区別して表示することが可能になる。

【００７６】これらの信号処理を行った反射電子，二次
電子信号を用いて、ＣＰＵ１５０は合成した反射電子，
二次電子信号による試料像を表示装置１２５、例えばＣ
ＲＴに表示する（ステップ７２０）。

【００７７】また、上記信号処理では画像処理を行っ
て、反射電子，二次電子による合成した試料像を表示す
る処理を示しているが、合成しなくても、例えば反射電
子，二次電子による試料像を表示装置１２５の表示画面
に信号処理せずに個別に表示し、また信号処理した後で
の反射電子，二次電子による試料像を個別に表示するこ
とによっても試料状態を操作者に知らせることができ
る。

【００７８】

【発明の効果】以上、本発明の走査形電子顕微鏡によれ
ば、軸外収差を低減する電磁界発生器を採用した走査形
電子顕微鏡において、反射電子や高加速の二次電子を検
出する際の色収差の発生を低減することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例。

【図２】直交電磁界発生部の平面構成図。

【図３】反射電子線の説明図。

【図４】本発明の他の実施例。

【図５】試料分析説明図。

【図６】試料分析説明図。

【図７】本発明の分析信号の信号処理フローチャート。

【符号の説明】

１０１…陰極、１０２…第一陽極、１０３…第二陽極、
１０４…一次電子線、１０５…集束レンズ、１０６…対
物レンズ、１０７…試料、１０８…偏向コイル、１０
９，４５０…二次電子、１１０…反射電子、１１１…対
向電極、１１２…多孔電極、１１５…絞り装置、１２０
…二次電子検出器、１２１…二次電子検出器（反射電子
検出用）、１２５…表示装置（ＣＲＴ）、１５２…記憶
装置（メモリ）、１５６…表示装置Ｉ／Ｆ、１６０，１
６２…可変増幅器、１７８，１８０…Ａ／Ｄ変換器、２
１３，２１４…直交磁界発生コイル、４４０…二次電子
変換電極、４４１…軸対称電極、４４２，４４３…切換
スイッチ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者福原悟茨城県勝田市大字市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者戸所秀男茨城県勝田市大字市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者江角真茨城県勝田市大字市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子源と、当該電子源から放出された一次
電子線を試料上で走査する走査偏向器と、前記試料から
放出される電子を検出する検出器を備えた走査形電子顕
微鏡において、前記試料から放出される電子を、前記一次電子線の軸外
に偏向する電界を発生する電界発生器と、当該電界発生
器と同じ方向に前記試料から放出される電子を偏向する
磁界を発生する磁界発生器と、前記電界発生器と磁界発
生器によって偏向される電子の軌道上に配置され、前記
試料から放出される電子の衝突によって二次電子を発生
する二次電子変換電極を備え、前記検出器は当該二次電
子変換電極で発生した二次電子を偏向して検出すること
を特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項２】請求項１において、前記磁界発生器は、前記電界発生器が前記一次電子線に
与える偏向作用を相殺するように前記一次電子線を偏向
することを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項３】請求項１または２において、前記電界発生器は、正と負の電圧がそれぞれ印加され、
前記一次電子線を挟んで対抗して配置される一対の電極
を含み、当該一対の電極の内、前記検出器側に配置され
る電極がメッシュ状に形成されていることを特徴とする
走査形電子顕微鏡。
【請求項４】請求項１において、前記検出器と前記一次電子線光軸との間にメッシュ状の
電極を配置したことを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項５】請求項１において、前記二次電子変換電極と前記試料との間に、正及び／ま
たは負の電圧が印加可能な制御電極を配置したことを特
徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項６】電子源と、当該電子源から放出された一次
電子線を試料上で走査する走査偏向器と、前記試料から
放出される電子を検出する検出器を備えた走査形電子顕
微鏡において、前記試料から放出される電子を、前記一次電子線の軸外
に偏向する電界を発生する電界発生器と、当該電界発生
器と同じ方向に前記試料から放出される電子を偏向する
磁界を発生する磁界発生器と、前記電界発生器と磁界発
生器によって偏向される反射電子の軌道上に配置され、
前記試料から放出される電子の衝突によって二次電子を
発生する二次電子変換電極とを備え、前記検出器は、前
記二次電子変換電極より試料側に配置され、前記試料か
ら放出される二次電子、及び前記二次電子変換電極で発
生した二次電子を偏向して検出することを特徴とする走
査形電子顕微鏡。
【請求項７】請求項６において、前記二次電子変換電極と前記試料との間に、正及び／ま
たは負の電圧が印加可能な制御電極を配置したことを特
徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項８】電子源と、当該電子源から放出された一次
電子線を試料上で走査する走査偏向器と、前記試料から
放出される電子を検出する検出器を備えた走査形電子顕
微鏡において、前記試料から放出される電子の軌道上に配置され、当該
電子の衝突によって、二次電子を発生する二次電子変換
電極と、当該二次電子変換電極で発生した二次電子を前
記検出器側に偏向する偏向電界を形成する電界発生器
と、当該電界発生器による前記一次電子線への偏向を抑制す
るように、当該一次電子線を偏向する磁界を形成する磁
界発生器を備えてなることを特徴とする走査形電子顕微
鏡。
【請求項９】請求項８において、前記電界発生器は、正と負の電圧がそれぞれ印加され、
前記一次電子線を挟んで対抗して配置される一対の電極
を含み、当該一対の電極の内、前記検出器側に配置され
る電極がメッシュ状に形成されていることを特徴とする
走査形電子顕微鏡。
【請求項１０】請求項８において、前記二次電子変換電極と前記試料との間に、正及び／ま
たは負の電圧が印加可能な制御電極を配置したことを特
徴とする走査形電子顕微鏡。