JP2003187730A

JP2003187730A - ビームセパレータ及び反射電子顕微鏡

Info

Publication number: JP2003187730A
Application number: JP2001380330A
Authority: JP
Inventors: Katsushige Tsuno; 勝重津野; Nobuo Iida; 信雄飯田
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2001-12-13
Publication date: 2003-07-04

Abstract

(57)【要約】【課題】大きな偏向角と小さな収差を有するビームセ
パレータを提供する。【解決手段】第１の軸Ａ１に直交する第１の電場Ｅ１
が存在する第１の領域を生成する第１の一対の電極１５
と、前記第１の領域に対して第１の軸Ａ１の試料側に位
置する、第１の軸Ａ１と前記第１の電場Ｅ１にそれぞれ
直交する磁場Ｂが存在する第２の領域を生成する図示し
ない一対の磁極と、前記第２の領域に対して第１の軸Ａ
１の試料側に位置する、前記第１の電場Ｅ１に平行な第
２の電場Ｅ２が存在する第３の領域を生成する第３の一
対の電極１７と、第１の軸Ａ１及び前記磁場Ｂにそれぞ
れ直交する第２の軸Ａ２について、前記第２の領域に対
して前記第２の軸Ａ２の試料に向かう電子ビームが入射
する方向に位置する、前記第２の軸Ａ２及び前記磁場Ｂ
にそれぞれ直交する第３の電場Ｅ３が存在する第４の領
域を生成する第４の一対の電極１８とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子ビームを分離
するビームセパレータ及び試料から得られた電子ビーム
を直接写像によって結像させる反射電子顕微鏡（reflec
tion electron microscope；ＲＥＭ）に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば半導体基板の検査装置に走
査電子顕微鏡（scanning electron microscope；ＳＥ
Ｍ）が利用されている。走査電子顕微鏡は、対象領域全
体を電子ビームでくまなく走査することにより一枚の画
像を取得するので、画像の取得には一定の時間を要す
る。したがって、半導体基板の検査のスループットは、
走査電子顕微鏡の画像取得の速度のために制約があっ
た。

【０００３】このため、透過型又は反射型顕微鏡のよう
な直接写像方式を採用することで、スループットを高め
るアイデアがいくつか報告されている。直接写像を用い
ると、走査電子顕微鏡のように逐次走査を行う必要がな
く、画像取得の速度が向上する。

【０００４】例えば、特開平１１−１０８８６４号公
報、発明の名称「パターン欠陥検査方法および検査装
置」では、半導体試料表面に一定の面積を有する電子ビ
ームを照射することで検査の高速化を図っている。特開
平１１−１３２９７５号公報、発明の名称「電子ビーム
を用いた検査方法およびその装置」では、試料表面に電
子ビームを垂直に入射して１次元像又は２次元像を結像
させ、パターン側壁の欠陥の検出も可能にしている。特
開平１１−２７３６１０号公報、発明の名称「高加速電
圧反射電子顕微鏡」では、エネルギーが広範囲に分布し
てもフォーカス可能な直接写像方式の反射電子顕微鏡を
提案している。

【０００５】ところで、反射電子顕微鏡は、半導体基板
の検査装置のように工業的な分野で利用する場合、研究
目的の利用のように超高真空の条件（１０^−８〜１０
^−１０Ｐａ）を要求することができず、例えば１０^−６
Ｐａ程度の低真空の環境に対応する必要がある。

【０００６】図７は、超高真空中で用いる反射電子顕微
鏡の構成を示す図である。

【０００７】反射電子顕微鏡２００は、電子ビームを射
出する電子銃２０１と、電子銃２０１から射出された電
子ビームを試料２０６に導く第１の鏡筒２０２と、試料
２０６から得られた電子ビームを導く第２の鏡筒２０３
及び第３の鏡筒２０５と、第２の鏡筒２０３及び第３の
鏡筒２０５間に設けられたウィーンフィルタ２０４とを
有する。また、反射電子顕微鏡２００は、いくつかの直
流電源２４１〜２４４を有する。

【０００８】第１の鏡筒２０２は、電子銃２０１から射
出された電子ビームが進む順序で、第１のデフレクタ
（deflector）２１１、第１の集光レンズ（condenser l
ens）２１２、第２の集光レンズ２１３、第１の開口（a
perture）２１４、第１のスティグメータ（stigmater）
２１５及び第２のデフレクタ２１６を有し、試料２０６
側で第２の鏡筒２０３と合している。

【０００９】第２の鏡筒２０３は、試料２０６から得ら
れた電子ビームが進む順序で、カソード２２１、ビーム
セパレータ２２２、第２のスティグメータ２２３、第３
のデフレクタ２２４、第１の中間レンズ（intermediate
lens）２２５、第２の開口２２６、第４のデフレクタ
２２７、第２の中間レンズ２２８及び着脱可能な第１の
スクリーン２２９を有する。

【００１０】第３の鏡筒２０５は、ウィーンフィルタ２
０４を介して第２の鏡筒２０３から入射した電子ビーム
が進む順序で、スリット２３１、第１の投射レンズ（pr
ojection lens）２３２、第２の投射レンズ２３３、第
３の投射レンズ２３４及び第２のスクリーン２３５を有
する。

【００１１】電子銃２０１から射出され、第１の鏡筒２
０２に沿って進んだ電子ビームは、ビームセパレータ２
２２によって所定角度だけ偏向され、カソード２２１を
通過して試料２０６に入射する。試料２０６から得られ
た電子ビームは、ビームセパレータ２２２を直進して通
過し、第２の鏡筒２０３、ウィーンフィルタ２０４及び
第３の鏡筒２０５を進んで第２のスクリーン２３５に結
像される。第１のスクリーン２２９が第２の鏡筒２０３
中に存在する場合は、第１のスクリーン２２９に結像さ
れる。

【００１２】超高真空で用いられる反射電子顕微鏡２０
０は、電子ビームを数１００Ｖまで加速することができ
るが、通常、０Ｖから数１０Ｖ程度の加速電圧で用いら
れ、１００Ｖの加速電圧を用いることは殆どない。

【００１３】一方、半導体基板などの検査装置では、試
料の形状検査、組成の情報を反映した情報の取得などを
行う。このような工業の分野の検査装置に適用された反
射電子顕微鏡は、低真空の環境において使用される。低
真空下においては、一般に試料の表面に汚染層が形成さ
れている。このため、試料の情報を得るためには、電子
ビームを１００Ｖ以上の電圧で加速し、電子を試料の汚
染層の下まで到達させることが必要である。

【００１４】反射電子顕微鏡は、試料から得られた電子
ビームを直接写像によって結像させる。直接写像を行う
には、反射電子の角度分布が小さいことが望ましい。試
料に照射する電子ビームの加速電圧が数Ｖからせいぜい
数１０Ｖまでの範囲では、電子のエネルギーをほとんど
失わない反射電子が垂直に出てくるので、反射電子の電
子ビームを直接写像によって容易に結像することができ
る。

【００１５】しかし、電子ビームの加速電圧が高くなる
と、反射電子の放出方向の角度分布が広くなり、エネル
ギーの拡がりが大きくなるなどの不利な条件が現れ、直
接写像による結像は困難になる。反射電子の角度分布は
対物絞りの利用によって制限することができるが、エネ
ルギー分布が大きいと像の分解能は色収差によって著し
く損なわれる。このような理由で、工業の分野など１０
^−６程度の低真空で用いられる反射電子顕微鏡は、電子
ビームから所望のエネルギー成分を抽出するエネルギー
アナライザを備えることが求められる。

【００１６】また、反射電子顕微鏡においては、試料に
照射する電子ビームと、試料から得られた電子ビームが
同じ軌道を通るので、軌道上にそれぞれの電子ビームを
分離するためのビームセパレータを設ける必要がある。

【００１７】図８は、ビームセパレータの構成を示す図
である。このビームセパレータは、図７に示した反射電
子顕微鏡２００のビームセパレータ２２２に相当する。

【００１８】図中、プラス電極２２２ａとマイナス電極
２２２ｂの周囲に、静電場の等ポテンシャル線が示され
ている。また、試料に入射される照射電子ビームの軌跡
Ｌ１と、試料から得られた結像電子ビームの軌跡Ｌ２と
が示されている。

【００１９】ビームセパレータ２２２は、直交した電場
と磁場（Ｅ×Ｂ）を発生するウィーンフィルタで構成さ
れる。結像電子ビームの軌跡Ｌ２は、ビームセパレータ
２２２をほぼ通過するほぼ直線である。照射電子ビーム
の軌跡Ｌ１は、ビームセパレータ２２２によって浅い角
度だけ偏向される。これは、偏向される照射電子ビーム
の軌跡Ｌ１の方向にプラス電極２２２ａがあり、偏向角
度を大きくすることができないためである。

【００２０】これに対して、特開平９−２７４８８０号
公報は、電子ビームを大きな角度にわたって偏向するビ
ームセパレータを提案している。このビームセパレータ
は、電極を２つに分割し、磁極に対して電極を上下にず
らした構造を有し、電子ビームの方向に電場、磁場及び
電場を印加するＥ＋Ｂ＋Ｅ型のビームセパレータであ
る。

【００２１】図９は、前記文献（特開平９−２７４８８
０号公報）に記載されたＥ＋Ｂ＋Ｅ型のビームセパレー
タを含む走査電子顕微鏡の要部を示す図である。

【００２２】走査電子顕微鏡の要部３００において、セ
ミインレンズ型の対物レンズ３０１は、内側磁極３０
２、外側磁極３０３及び励磁コイル３０４を有する。試
料３０５は、対物レンズ３０１が発生する磁場内に配置
される。対物レンズ３０１の内側にはソレノイドコイル
３０６が設けられ、ソレノイドコイル３０６の内側には
電極３０７が設けられる。

【００２３】対物レンズ３０１の上部にビームセパレー
タ３０８が配置される。ビームセパレータ３０８は、試
料３０５に対して電子ビームが入出射する第１の軸（光
軸）Ａ１に沿って配置された第１の一対の電極３０９、
一対の磁極３１０及び第２の一対の電極３１１を有す
る。これら第１の電極３０９、磁極３１０及び第２の電
極３１１によって第１の軸Ａ１方向に電場、磁場及び電
場（Ｅ＋Ｂ＋Ｅ）が形成される。ウィーンフィルタでは
一対であった電極は、電極３０９，３１１の２つに分割
され、試料から得られた電子ビームは電極３０９，３１
１間を通ってほぼ９０°偏向される。一方、試料に照射
される電子ビームは、ビームセパレータ３０８を直進し
て通過する。

【００２４】第１の軸Ａ１から所定距離だけ離れた一対
の磁極３１０間方向に、シールド電極３１３で挟まれた
２次電子検出器３１２が配置される。シールド電極３１
３で挟まれた２次電子検出器３１２とビームセパレータ
３０８は、シールド板３１４によって外部の電場から遮
蔽される。

【００２５】図１０は、Ｅ＋Ｂ＋Ｅ型のビームセパレー
タの構成を示す図である。このビームセパレータは、図
９に示したビームセパレータ３０８に相当する。

【００２６】ビームセパレータ４００は、第１の一対の
電極４０１と第２の一対の電極４０２を備え、これらの
電極４０１，４０２間において、電場に直交する方向に
磁場が印加されている。第１の軸Ａに沿った電場、磁場
及び電場（Ｅ＋Ｂ＋Ｅ）の領域は、シールド板４０３に
よって遮蔽されている。

【００２７】ビームセパレータ４００は、第１の軸Ａ１
に沿って試料に照射される電子ビームを直進して通過さ
せるが、試料から得られた電子ビームをほぼ９０°偏向
させる。

【００２８】

【発明が解決しようとする課題】図１０に示したＥ＋Ｂ
＋Ｅ型のビームセパレータによってほぼ９０°偏向され
た電子ビームは、十分に収束せず、収差も大きい。図９
に示した走査電子顕微鏡の要部３００においては、２次
電子検出器３１２が電子を検出できればよく、電子ビー
ムの到達する位置はあまり問題とならない。しかし、反
射電子顕微鏡のように試料から得られた電子ビームを直
接写像により結像させる場合には、電子ビームの位置精
度が問題となる。

【００２９】図１１は、偏向された電子ビームの方向に
２極子又は４極子電極を有するＥ＋Ｂ＋Ｅ型のビームセ
パレータを示す図である。図中には、試料に入射される
電子ビームの軌跡Ｌ１と試料から得られた電子ビーム
（反射電子の電子ビーム）の軌跡Ｌ２が示されている。

【００３０】このビームセパレータ５００は、第１の軸
Ａ１に沿って電場、磁場及び電場（Ｅ＋Ｂ＋Ｅ）型の場
を発生する、第１の一対の電極５０１、一対の磁極５０
２及び第２の一対の電極５０３を有し、これら電極５０
１，５０３と磁極５０２が発生する電場と磁場にそれぞ
れ直交する方向にプラス電極５０４及びマイナス電極５
０５を有している。

【００３１】ビームセパレータ５００は、試料から得ら
れた電子ビームが偏向されて射出される間隙５０６の外
側に２極子又は４極子電極５０７を有する。このような
２極子又は４極子電極５０７の発生する２極子又は４極
子電場により、電子ビームの収束や収差を改善すること
ができる。

【００３２】図１２は、４極子電極の構成を示す図であ
る。４極子電極５５０は、図１１のビームセパレータ５
００における２極子又は４極子電極５０７に相当する。

【００３３】４極子電極５５０は、電子ビームの軌跡Ｌ
２を取り囲む、第１のプラス電極５５１、第１のマイナ
ス電極５５２、第２のプラス電極５５３及び第２のマイ
ナス電極５５４を有する。この４極子電極によって、通
過する電子ビームの非点収差を改善することができる。

【００３４】しかし、図１１において、ビームセパレー
タ５００によって偏向されて射出される、試料から得ら
れた電子ビームの偏向角度は、ビームセパーレータ５０
０に入射する入射ビームの入射方向を基準として９０°
には達せず、実際には収差も依然として大きい。

【００３５】前述のように、反射電子顕微鏡は、工業の
分野で利用する場合には、電子ビームから特定のエネル
ギーの成分を抽出するエネルギーアナライザを有するこ
とが望ましい。エネルギーアナライザは、通常、ビーム
セパレータの後方の結像レンズ間に配置され、ビームセ
パレータで分離された電子ビームが入射される。

【００３６】従来、反射電子顕微鏡においては、ビーム
セパレータとエネルギーアナライザをそれぞれ独立に構
成していた。このため、反射電子顕微鏡は、ビームセパ
レータとエネルギーアナライザの両方を有するため、装
置の規模が大きくなっていた。また、これら両方を製造
するためのコストを要し、それぞれ保守を行う必要があ
るので負担が大きかった。

【００３７】本発明は、上述の実情に鑑みて提案される
ものであって、大きな偏向角と小さな収差を有するビー
ムセパレータ及びこのようなビームセパレータを備える
反射形電子顕微鏡を提供することを目的とする。

【００３８】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、本発明に係るビームセパレータは、第１の軸に平
行な正負方向の電子ビームを前記方向によって分離する
ものであって、第１の軸に直交する第１の電場が存在す
る第１の領域と、前記第１の領域に対して前記第１の軸
方向に位置する、前記第１の軸及び前記第１の電場にそ
れぞれ直交する磁場が存在する第２の領域と、前記第２
の領域に対して前記第１の軸方向に位置する、前記第１
の電場に平行な第２の電場が存在する第３の領域と、前
記第１の軸及び前記磁場にそれぞれ直交する第２の軸に
ついて、前記第２の領域に対して前記第２の軸方向に位
置する、前記第２の軸及び前記磁場にそれぞれ直交する
第３の電場が存在する第４の領域と、を有する。

【００３９】第２の軸に平行に入射した第１の電子ビー
ムをほぼ９０°偏向させて第１の軸に平行に射出し、前
記射出した電子ビームと第１の軸に平行に入射した第２
の電子ビームを直進させて通過させる。試料から得られ
た第２の電子ビームは直進するので、試料の結像収差を
小さくすることができる。

【００４０】好ましくは、前記第１の領域は、前記第１
の軸及び前記第１の電場にそれぞれ直交する第１の磁場
をさらに有し、前記第３の領域は、前記第１の軸及び前
記第２の電場にそれぞれ直交する第２の磁場をさらに有
する。

【００４１】好ましくは、前記第１の領域における第１
の電場及び第１の磁場は、第１のウィーンフィルタによ
って生成され、前記第３の領域における第２の電場及び
第２の磁場は、第２のウィーンフィルタによって生成さ
れる。

【００４２】好ましくは、ウィーンフィルタは、第１及
び第２の電子ビームを直進して通過させる。好ましく
は、第１の電子ビームは、ビームセパレータにおいて、
第１及び第２のウィーンフィルタの内側の第２の領域に
存在する磁場により、９０°に近い角度偏向される。

【００４３】好ましくは、ビームセパレータには、試料
に入射される第１の電子ビーム（照射電子ビーム）と、
試料から得られた第２の電子ビーム（結像電子ビーム）
が入射する。

【００４４】好ましくは、前記第２の軸に平行に入射す
る電子ビームを前記第１の軸に平行に偏向して射出し、
前記射出した電子ビームと逆向きに前記第１の軸に平行
に入射する電子ビームを直進して通過させる。

【００４５】好ましくは、前記第１の領域、前記第２の
領域及び前記第３の領域は、２極子電場とともに４極子
電場を含む。好ましくは、４極子電場によって、第１及
び第２の電子ビームの非点収差が抑制される。好ましく
は、前記２極子電場及び前記４極子電場は、８極子電極
によって実現される。

【００４６】本発明に係る反射顕微鏡は、前述のような
構成を有するビームセパレータを有し、試料に第１の電
子ビームを照射し、前記第１の電子ビームの反射により
前記試料から得られた第２の電子ビームを直接写像によ
って結像させるものであって、前記ビームセパレータ
は、前記第１の軸に平行な第１の電子ビームと第２の電
子ビームを分離するとともに、前記第２の電子ビームを
エネルギーに応じて分離する。

【００４７】前述したビームセパレータを第２の電子ビ
ームをエネルギーに応じて分離するエネルギーアナライ
ザと兼用することにより、反射電子顕微鏡の装置の小型
化を図る。

【００４８】好ましくは、前記第２の電子ビームによる
前記試料の回折像を前記第１の領域の外側及び前記第３
の領域の外側にそれぞれ結像させる。好ましくは、前記
第１乃至第３の領域と前記試料の間に位置する対物レン
ズについて、前記第１乃至第３の領域と前記対物レンズ
の間に１以上の磁場レンズを有する。

【００４９】好ましくは、試料の電子回折像（クロスオ
ーバ）の高精度化を図ることにより、エネルギー分析の
高精度化を図り、色収差による分解能の低下を回避す
る。

【００５０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るビームセパレ
ータ及び反射電子顕微鏡の実施の形態について図面を参
照して詳細に説明する。

【００５１】図１は、第１の実施の形態のビームセパレ
ータの構成を示す図である。本実施の形態のビームセパ
レータは、反射電子顕微鏡に用いられ、電子銃から射出
された第１の電子ビームを試料の方向にほぼ９０°偏向
し、試料から得られた第２の電子ビームをほぼ直進して
通過させる。以下の実施の形態でも同様とする。

【００５２】ビームセパレータ１０は、試料に入射する
第１の電子ビームと試料から得られる第２の電子ビーム
が共有する第１の軸（光軸）Ａ１について、第１の電子
ビームと第２の電子ビームを分離する。

【００５３】ビームセパレータ１０は、第１の軸Ａ１に
直交する第１の電場Ｅ１が存在する第１の領域を生成す
る第１の一対の電極１５と、前記第１の領域に対して第
１の軸Ａ１の試料側に位置する、第１の軸Ａ１と前記第
１の電場Ｅ１にそれぞれ直交する磁場Ｂが存在する第２
の領域を生成する図示しない一対の磁極と、前記第２の
領域に対して第１の軸Ａ１の試料側に位置する、前記第
１の電場Ｅ１に平行な第２の電場Ｅ２が存在する第３の
領域を生成する第３の一対の電極１７と、第１の軸Ａ１
及び前記磁場Ｂにそれぞれ直交する第２の軸Ａ２につい
て、前記第２の領域に対して前記第２の軸Ａ２の試料に
向かう電子ビームが入射する方向に位置する、前記第２
の軸Ａ２及び前記磁場Ｂにそれぞれ直交する第３の電場
Ｅ３が存在する第４の領域を生成する第４の一対の電極
１８とを有する。

【００５４】具体的に、ビームセパレータ１０は、第１
のシールド板１１、第２のシールド板１２、第３のシー
ルド板１３及び第４のシールド板１４で周囲を囲まれ、
第１のシールド板１１の中央内側に第１の一対の電極１
５と、第２のシールド板１２の中央内側に第２の一対の
電極１６と、第３のシールド板１３の中央内側に第３の
一対の電極１７と、第４のシールド板１４の中央内側に
第４の一対の電極１８とを有する。第１の一対の電極１
５、第３の一対の電極１７及び第４の一対の電極１８
は、２極子電場とともに４極子電場を発生する。

【００５５】ビームセパレータ１０のほぼ全面には、第
１の電極１５、第２の電極１６、第３の電極１７及び第
４の電極１８で発生する電場Ｅ１，Ｅ，Ｅ２，Ｅ３に垂
直なほぼ一様な磁場Ｂが印加されている。

【００５６】図においては、試料に入射する第１の電子
ビームの軌跡Ｌ１と試料から得られた第２の電子ビーム
の軌跡Ｌ２、静電場の等ポテンシャル線が示されてい
る。

【００５７】第１の電子ビームは、軌跡Ｌ１に示すよう
に、第４のシールド板１４のほぼ中央の間隙１４ａから
入射してほぼ９０°偏向され、第３のシールド板１３の
ほぼ中央の間隙１３ａから射出される。第２の電子ビー
ムは、軌跡Ｌ２に示すように、第３のシールド板１３の
ほぼ中央の間隙１３ａから入射され、ほぼ直進し、第１
のシールド板１１のほぼ中央の間隙１１ａから射出され
る。このように、ビームセパレータ１０は、第１の電子
ビームをほぼ９０°偏向するが、第２の電子ビームは偏
向させることなく直進して通過させる。

【００５８】ビームセパレータ１０において、第３の電
極１７は、２極子電場を発生する。この２極子電場によ
り、試料に入射する第１の電子ビームの方向を正確に制
御することで、第１の電子ビームの射出方向を入射方向
を基準としてほぼ９０°にすることができる。

【００５９】また、ビームセパレータ１０は、第１の電
極１５、第３の電極１７及び第４の電極１８において、
２極子電場とともに４極子電場を発生する。これらの４
極子電場により非点収差を補正し、第１の電子ビームと
第２の電子ビームについて、第３の間隙１３ａ及び第１
の間隙１１ａ付近において、射出される電子ビームを正
確に収束させることができる。

【００６０】このように、本実施の形態では、第１の電
子ビームをほぼ９０°という大きな角度にわたって偏向
するが、収差を小さくすることができる。また、試料か
ら得られた第２の電子ビームをほぼ直進させるので、試
料の結像収差を小さくすることができる。

【００６１】図２は、第２の実施の形態のビームセパレ
ータの構成を示す図である。

【００６２】このビームセパレータ２０は、図１に示し
た第１の実施の形態のビームセパレータ１０において、
第１の一対の電極１５と第３の一対の電極１７をそれぞ
れウィーンフィルタで置き換えたものに相当する。他の
部分は、ビームセパレータ１０と同様の構成を有する。

【００６３】すなわち、前記第１の電場Ｅ１と、前記第
１の軸Ａ１及び第１の電場Ｅ１にそれぞれ直交する第１
の磁場Ｂ１が存在する第１の領域は第１のウィーンフィ
ルタ２５が生成し、前記第２の電場Ｅ２と、前記第１の
軸Ａ１及び第２の電場Ｅ２にそれぞれ直交する第２の磁
場Ｂ２が存在する第３の領域は第２のウィーンフィルタ
２７が生成する。

【００６４】ビームセパレータ２０は、第１のシールド
板２１の中央内側に第１のウィーンフィルタ２５と、第
２のシールド板２２の中央内側に第１の電極２６と、第
３のシールド板２３の中央内側に第２のウィーンフィル
タ２７と、第４のシールド板２４の中央内側に第２の電
極２８とを有する。

【００６５】第２の電極２８は、第１の実施の形態の第
３の電極１８と同様に、２極子電場とともに４極子電場
を発生する。

【００６６】図３は、第１のウィーンフィルタ２５と第
２のウィーンフィルタ２７の構成を示す図である。

【００６７】図中には、静磁場の等ポテンシャル線が示
されている。なお、静電場の等ポテンシャル線は、静磁
場の等ポテンシャル線を９０°回転したものとなる。

【００６８】このウィーンフィルタ４０は、第１の極４
１、第２の極４２、第３の極４３、第４の極４４、第５
の極４５、第６の極４６、第７の極４７及び第８の極４
８の８つの極を有し、これらの極４１〜４８は、同一の
円筒面上にある面を有する。このウィーンフィルタ４０
は、２極子電場とともに、４極子電場を発生する。ま
た、磁場も発生する。

【００６９】これらの極４１〜４８の内、第２の極４
２、第３の極４３及び第４の極４４に第１の励磁コイル
が巻かれ、第６の極４６、第７の極４７及び第８の極４
８に第２の励磁コイルが巻かれ、両方のコイルに同じ電
流が流される。

【００７０】これら８つの極４１〜４８と第１及び第２
の励磁コイルは、磁気偏向（magnetic deflection）、
静電偏向（electrostatic deflection）及び電気スティ
グメータ場成分（electric stigmator）を制御する。偏
向場を励起する際、第３の極４３と第７の極４７は磁場
を制御するために用いられ、第１の極４１と第５の極４
５は電場を制御するために用いられる。一方、第２の極
４２、第４の極４４、第６の極４６及び第８の極４８
は、電場と磁場の両方を制御するために用いられる。ス
ティグメータ場は、電場のみである。スティグメータ場
を励起するには、より大きな第３の極４３と第７の極４
７が用いられる。

【００７１】図２において、領域３０は、磁場Ｂが印加
された領域を示している。前述の第１の実施の形態と異
なり、磁場Ｂは領域３０にのみ印加される。磁場Ｂは、
図示しない一対の磁極によって印加され、第１のウィー
ンフィルタ２５、第１の電極２６、第２のウィーンフィ
ルタ２７及び第２の電極２８によって生成される電場Ｅ
１，Ｅ，Ｅ２，Ｅ３と直交する向きを有する。

【００７２】ビームセパレータ２０においては、前述し
たビームセパレータ１０と同様に、試料に入射する第１
の電子ビームは、軌跡Ｌ１で示すように、第４のシール
ド板２４のほぼ中央の間隙２４ａから入射し、ほぼ９０
°偏向されて第３のシールド板２３のほぼ中央の間隙２
３ａから射出される。試料から得られた第２の電子ビー
ムは、軌跡Ｌ２で示すように、第３のシールド板２３の
ほぼ中央の間隙２３ａから入射してほぼ直進し、第１の
シールド板２１のほぼ中央の間隙２１ａから射出され
る。

【００７３】ここで、第１の電子ビームは、第２のウィ
ーンフィルタ２７に偏向されることなく直進して通過す
る。また、第２の電子ビームは、第２のウィーンフィル
タ２７と第１のウィーンフィルタ２５に偏向されること
なく直進して通過する。

【００７４】したがって、ビームセパレータ２０におい
ては、第１の電子ビームは、第１及び第２のウィーンフ
ィルタ２５，２７の内側にある範囲３０に印加された磁
場によって偏向される。図１のビームセパレータに示し
た第１の電子ビームの軌跡Ｌ１と比較すると、図２にお
いて第１の電子ビームの軌跡Ｌ１が通過するのはビーム
セパレータ２０の中央付近になるので、第１の電子ビー
ムの射出方向を入射方向を基準としてより正確に９０°
に偏向することができる。

【００７５】図４は、ビームセパレータ２０における電
場と磁場の構造を示す図である。この図は、図２におい
て、第２の電子ビームの軌跡Ｌ２にほぼ一致する前記第
１の軸Ａ１に沿って図２に垂直な面で見たものである。
図２と共通する部分は、同一の符号を附す。

【００７６】ビームセパレータ２０のほぼ中央の磁場Ｂ
が存在する領域３０は、向かい合った一対の磁極３１の
間に存在している。磁極３１の上下には、第１のウィー
ンフィルタ２５と第２のウィーンフィルタ２７が設けら
れている。

【００７７】図４の（ａ）は、静磁場の等ポテンシャル
線を示す図である。

【００７８】一対の磁極３１の間に、ほぼ一様な磁場Ｂ
が存在する。また、第１のウィーンフィルタ２５と第２
のウィーンフィルタ２７においても、ほぼ一様な磁場Ｂ
１，Ｂ２が存在する。

【００７９】図４の（ｂ）は、静電場の等ポテンシャル
線を示す図である。

【００８０】これによると、第１のウィーンフィルタ２
５と第２のウィーンフィルタ２７の周辺にほぼ一様な電
場Ｅ１，Ｅ２が存在する。

【００８１】前述のように、第２の実施の形態のビーム
セパレータ２０においては、第１の実施の形態のビーム
セパレータにおける第１の電極１５と第３の電極１７に
代わって、第１のウィーンフィルタ２５と第２のウィー
ンフィルタ２７を有する。ウィーンフィルタをＥ×Ｂと
表すと、ビームセパレータ２０は、ウィーンフィルタＥ
×Ｂ、磁場Ｂ、ウィーンフィルタＥ×Ｂを空間的に配置
する（Ｅ×Ｂ）＋Ｂ＋（Ｅ×Ｂ）型のビームセパレータ
である。

【００８２】本実施の形態では、前述の第１の実施の形
態より第１の電子ビームを９０°に近い角度にわたって
正確に偏向し、収差を小さく保つことができる。また、
試料から得られた第２の電子ビームをほぼ直進させるの
で、試料の結像収差を小さくすることができる。

【００８３】図５は、第３の実施の形態のビームセパレ
ータの構成を示す図である。

【００８４】このビームセパレータ６０は、第２の実施
の形態の（Ｅ×Ｂ）＋Ｂ＋（Ｅ×Ｂ）型のビームセパレ
ータ２０を基礎として、エネルギーアナライザを兼用す
るものである。このビームセパレータ６０において、第
２の実施の形態のビームセパレータ２０に対応する箇所
には、同一の符号を附して説明を省略する。

【００８５】ビームセパレータ６０は、第１の間隙２１
ａの外側に電子線を絞り込むスリット６１を有する。ス
リット６１は、エネルギーに応じて射出される位置が異
なる第２の電子ビームを取り出す位置を選択すること
で、第２の電子ビームから所望のエネルギー成分を抽出
する。

【００８６】図中には、第２の電子ビームの軌跡とし
て、加速電圧２．５ｋＶに対応する軌跡Ｌ２１と加速電
圧３ｋＶに対応する軌跡Ｌ２２が示されている。ここ
で、スリット６１の幅は２ｍｍであり、スリット６１の
位置において、加速電圧２．５ｋＶの軌跡Ｌ２１と加速
電圧３ｋＶの軌跡Ｌ２２は、１．５ｍｍの変移を示す。
これは、５００Ｖの変移に対して１．５ｍｍの変移であ
るので、３μｍ／Ｖのエネルギー分散である。したがっ
て、スリット６１を１μｍの精度で制御することで、
０．３３Ｖの分解能でエネルギー選別をすることができ
る。

【００８７】なお、半導体基板などの検査装置に応用す
る場合、エネルギー選別について、このような高い分解
能は必要ではない。スループットの観点では、電流量を
あまり減らさないようにした方がむしろ望ましい。電流
量を確保するには、スリット６１の幅を広くすればよ
い。

【００８８】本実施の形態によると、ビームセパレータ
とエネルギーアナライザを兼用することにより、装置の
規模を小さくすることができる。さらに、ビームセパレ
ータとエネルギーアナライザを別個に生産する場合と比
べてコストを低減し、別々に保守を行う必要もなくな
る。

【００８９】図６は、反射電子顕微鏡の構成を示す図で
ある。

【００９０】この反射電子顕微鏡５０は、エネルギーア
ナライザを兼用するビームセパレータ５３を有する。こ
の反射電子顕微鏡５０のビームセパレータ５３は、第３
の実施の形態のビームセパレータ５３と同様な構成を有
するので、対応する箇所には同一の符号を附して説明を
省略する。

【００９１】この反射電子顕微鏡５０は、半導体基板の
検査装置など工業的な分野において使用される。このた
め、反射電子顕微鏡５０は、低真空の環境で用いられ、
試料から得られる電子ビームはエネルギーの広がりを有
する。前記エネルギーアナライザは、このエネルギーの
広がりを除くものである。

【００９２】反射電子顕微鏡５０は、電子ビームを射出
する電子銃５１と、電子銃５１から射出された第１の電
子ビームを収束する照射レンズ系５２と、照射レンズ５
２から入射された第１の電子ビームをほぼ９０°偏向さ
せるビームセパレータ５３と、ビームセパレータ５３か
ら入射された第１の電子ビームを試料の基板５９に収束
する対物レンズ５５とを有する。

【００９３】また、反射電子顕微鏡５０は、基板５９か
ら対物レンズ５５を介して入射した第２の電子ビーム
を、ビームセパレータ５３におけるエネルギー分析のた
めに収束するインプットレンズ５４と、ビームセパレー
タ５３から射出された第２の電子ビームから所望のエネ
ルギー成分を抽出するスリット５６と、結像レンズ系５
７と、結像レンズ５７によって結像された像を検出する
検出器５８とを有する。

【００９４】反射電子顕微鏡５０は、基板５９から得ら
れた第２の電子ビームについて、ビームセパレータ５３
への入口に相当する第３の間隙２３ａの付近と、ビーム
セパレータ５３からの出口に相当する第１の間隙２１ａ
の付近とに、ビームセパレータ５３の中心面に対して対
称となるように試料の電子回折像（クロスオーバ）を結
像している。ここで、前記中心面とは、ビームセパレー
タ５３を等分する第１の軸Ａ１に垂直な面である。

【００９５】反射電子顕微鏡５０は、電子回折像の結像
により電子ビームが小さく収束されているので、スリッ
ト５６において所望のエネルギーを有する第２の電子ビ
ームを正確に抽出することができる。また、ビームセパ
レータ５３の中心面に対して対称に電子回折像を結像さ
せることにより、ビームセパレータ５３が作る収差を互
いにキャンセルすることができる。

【００９６】インプットレンズ５４は、ビームセパレー
タ５３に入射する第２の電子ビームを収束させる。これ
によって、鮮明な電子回折像を得ることができる。ま
た、ビームセパレータ５３における第１のウィーンフィ
ルタ２５、第２のウィーンフィルタ２７及び第２の電極
２８を、２極子電場とともに４極子電場を発生するよう
に、８極子による構造にすることができる。これによっ
て、電子回折像の非点収差を抑制することができる。な
お、第１及び第２のウィーンフィルタ２５，２７には、
図３に示したウィーンフィルタを利用することができ
る。

【００９７】本実施の形態の反射電子顕微鏡によると、
ビームセパレータ５３はエネルギーアナライザを兼用す
るので、これらを別々の構成要素として備える場合と比
較して、装置の小型化を図ることができる。また、装置
を製造するコストを低下させ、保守を要する箇所の低減
が図ることができる。

【００９８】このような反射電子顕微鏡は、例えば半導
体の基板を検査する検査装置に好適である。このような
検査装置は、低真空の環境で用いられるため、試料の汚
染層を透過するような高加速電圧の電子ビームが用いら
れる。このため、試料から得られた第２の電子ビームの
エネルギーの広がりは大きくなり、色収差による分解能
の劣化が予測されるが、本実施の形態の反射電子顕微鏡
は、ビームセパレータが兼用するエネルギーアナライザ
において所望のエネルギー成分を抽出することで、所定
の分解能を確保している。

【００９９】前述の反射電子顕微鏡は、Ｅ＋Ｂ＋Ｅ型又
は（Ｅ×Ｂ）＋Ｂ＋（Ｅ×Ｂ）型のビームセパレータを
エネルギーアナライザに兼用するものであるので、電子
ビームの収差が抑制されている。したがって、このよう
なビームセパレータは、ビームセパレータとして適切に
動作するばかりでなく、エネルギーアナライザとしても
大きな分散を獲得することができる。

【０１００】なお、前述した実施の形態は、本発明を適
用する具体例を示したものであって、本発明はこれに限
定されない。例えば、ビームセパレータは、９０°以外
の角度にわたっても、収差を小さく維持したまま電子ビ
ームを偏向させることができる。また、ビームセパレー
タの構造は、本実施の形態に限られず、前述のＥ＋Ｂ＋
Ｅ型又は（Ｅ×Ｂ）＋Ｂ＋（Ｅ×Ｂ）型を満たす限り所
望の構造を取ることができる。

【０１０１】

【発明の効果】前述のように、本発明によると、大きな
偏向角度を有し、収差が小さなビームセパレータを提供
することができる。すなわち、本発明によると、電子ビ
ームにほぼ９０°の大きな偏向角度を与えながら、収差
を小さくすることができる。また、試料から得られた電
子ビームは直進するので、結像収差を小さくすることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態のビームセパレータの構成を
示す図である。

【図２】第２の実施の形態のビームセパレータの構成を
示す図である。

【図３】ウィーンフィルタの構成を示す図である。

【図４】第２の実施の形態のビームセパレータにおける
電場と磁場の構成を示す図である。

【図５】第３の実施の形態のビームセパーレータの構成
を示す図である。

【図６】反射電子顕微鏡の構成を示す図である。

【図７】超高真空中で用いる反射電子顕微鏡の構成を示
す図である。

【図８】ビームセパレータの構成を示す図である。

【図９】Ｅ＋Ｂ＋Ｅ型のビームセパレータを含む走査電
子顕微鏡の一部を示す図である。

【図１０】Ｅ＋Ｂ＋Ｅ型のビームセパレータの構成を示
す図である。

【図１１】偏向された電子ビームの方向に２極子又は４
極子電極を有するＥ＋Ｂ＋Ｅ型のビームセパレータを示
す図である。

【図１２】４極子電極の構成を示す図である。

【符号の説明】

１０ビームセパレータ１１第１のシールド板１２第２のシールド板１３第３のシールド板１４第４のシールド板１５第１の電極１６第２の電極１７第３の電極１８第４の電極Ａ１第１の軸Ａ２第２の軸Ｌ１第１の電子ビームの軌跡Ｌ２第２の電子ビームの軌跡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の軸に平行な正負方向の電子ビーム
を前記方向によって分離するビームセパレータにおい
て、第１の軸に直交する第１の電場が存在する第１の領域
と、前記第１の領域に対して前記第１の軸方向に位置する、
前記第１の軸及び前記第１の電場にそれぞれ直交する磁
場が存在する第２の領域と、前記第２の領域に対して前記第１の軸方向に位置する、
前記第１の電場に平行な第２の電場が存在する第３の領
域と、前記第１の軸及び前記磁場にそれぞれ直交する第２の軸
について、前記第２の領域に対して前記第２の軸方向に
位置する、前記第２の軸及び前記磁場にそれぞれ直交す
る第３の電場が存在する第４の領域と、を有することを特徴とするビームセパレータ。
【請求項２】前記第１の領域は、前記第１の軸及び前
記第１の電場にそれぞれ直交する第１の磁場をさらに有
し、前記第３の領域は、前記第１の軸及び前記第２の電
場にそれぞれ直交する第２の磁場をさらに有することを
特徴とする請求項１記載のビームセパレータ。
【請求項３】前記第２の軸に平行に入射する電子ビー
ムを前記第１の軸に平行に偏向して射出し、前記射出し
た電子ビームと逆向きに前記第１の軸に平行に入射する
電子ビームを直進して通過させることを特徴とする請求
項１記載のビームセパレータ。
【請求項４】前記第１の領域、前記第２の領域及び前
記第３の領域は、２極子電場とともに４極子電場を含む
ことを特徴とする請求項１記載のビームセパレータ。
【請求項５】前記２極子電場及び前記４極子電場は、
８極子電極によって実現されることを特徴とする請求項
４記載のビームセパレータ。
【請求項６】請求項１乃至５の何れか１つに記載のビ
ームセパレータを有し、試料に第１の電子ビームを照射
し、前記第１の電子ビームの反射により前記試料から得
られた第２の電子ビームを直接写像によって結像させる
反射電子顕微鏡において、前記ビームセパレータは、前記第１の軸に平行な第１の
電子ビームと第２の電子ビームを分離するとともに、前
記第２の電子ビームをエネルギーに応じて分離すること
を特徴とする反射電子顕微鏡。
【請求項７】前記第２の電子ビームによる前記試料の
回折像を前記第１の領域の外側及び前記第３の領域の外
側にそれぞれ結像させることを特徴とする請求項６記載
の反射電子顕微鏡。
【請求項８】前記第１乃至第３の領域と前記試料の間
に位置する対物レンズについて、前記第１乃至第３の領
域と前記対物レンズの間に１以上の磁場レンズを有する
ことを特徴とする請求項６記載の反射電子顕微鏡。