JP2004047492A - 荷電粒子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、操作性が良好で鮮明な画像を得ることができる荷電粒子顕微鏡を提供する。
【解決手段】電子ビームを対物偏向器により試料上に走査して得られる二次電子信号を、検出器により検出して画像表示する荷電粒子顕微鏡において、検出器１５８は対物偏向器より電子ビーム１４２の上流に設置され、対物偏向器は電磁偏向器１４４と電磁偏向器と同期して働く静電偏向器１６１とを含み、静電偏向器１６１の電場は、電磁偏向器１４４とほぼ同方向に電子ビーム１４２を偏向する。
【選択図】図８

Description

　本発明は、例えば半導体素子の微細パターンを観察するのに用いられる荷電粒子顕微鏡に関する。

　半導体開発においては、微細パターンの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察や、集束イオンビーム（ＦＩＢ）による微細加工技術が必須のものとなっている。ＦＩＢによる微細加工技術においても、加工対象を特定するために、荷電粒子顕微鏡による事前の観察が必要であり、これら顕微鏡の重要性は益々増大しているが、分解能が１ｎｍを下回るようになるにつれて解決すべき問題も多々生じている。

　図１２は従来の走査型電子顕微鏡システムの概略的な構成を示している。電子光学鏡筒１より、集束された電子ビームがウェハ３上の点１３（点Ａと称する）を中心として照射される。ウェハはステージ９上に固定されている。ステージ９は、水平移動機構４、垂直微小移動機構５の上に載置され、これら機構ににより水平方向（ｘ−ｙ方向）の移動および上下方向の微小移動（Δｚ）が可能となっている。

　これらの機構は第１の支持体６に載置され、第１の支持体６は傾斜機構７により、回転軸１１を中心としたステージ１２の傾斜角度の調節が可能となっている。第１の支持体６は、傾斜機構７を介して第２の支持体８により保持されており、第２の支持体８は垂直移動機構１９によって、垂直方向（ｚ方向）の位置が粗調整される。１０は垂直移動機構１９の駆動装置である。水平移動機構４、垂直微小移動機構５、傾斜機構７、駆動装置１０は、ステージコントローラ１２により制御される。２はシステム全体の匡体である。

　さて、多くの場合に試料を例えば６０度に傾斜して観察したいことがある。このとき、点Ａの動きを示したものが図１３である。図１３はステージの傾斜機構７の中心軸１１（軸Ｂと称する）の方向にステージを見たものである。

　点Ａが軸Ｂ上にあるとき（図１３（ａ））は、ステージ３の表面３ａを３ｂの位置までθ度傾斜させても、点Ａの位置は変化しない。しかしながら、点Ａの高さが、軸Ｂ（１１）より高い（図１３（ｂ））、あるいは低い（図１３（ｃ））場合には、点Ａは１３ａから１３ｂへ水平方向、垂直方向ともに移動する。

　傾斜角度をθ、点Ａ（１３ａ）と軸Ｂ（１１）の高さの差をｈとすると、傾斜時の点Ａの移動量は水平方向にΔｘ＝ｈｓｉｎ（θ）、垂直方向にΔｚ＝（１−ｃｏｓ（θ））ｈとなる。多くの場合にウェハ３の凹凸は１００μｍ程度は有るため、θを６０度とすると、点Ａの移動量は水平方向に最大約８６μｍ，垂直方向に約５０μｍとなる。

　水平方向の移動量は、電子ビームの観察領域の広さ例えば□２μｍ程度より遥かに大きく、また垂直方向に移動量は焦点深度２μｍ程度よりも遥かに大きい。従って、ステージを傾斜させた場合には、水平移動機構により水平方向に移動させて、点Ａを視野中心に移動させるとともに、電子光学系の焦点を調節することによる垂直方向の合わせも必要となる。

　または、小さい角度で傾斜させて、点Ａの移動が最小になるまで、垂直微小移動機構５によってステージ９の高さを調節することも可能である。しかし、いずれの方法も観察作業の効率を著しく低下させる原因になっていた。

　以上は傾斜観察上の位置合わせの問題であったが、電子ビームの磁場もしくは振動による揺らぎが原因の像の乱れも、顕微鏡の分解能が１ｎｍを下回るようになるにつれ問題化している。次にこの問題に説明する。

　図１４は代表的な高分解能走査型電子顕微鏡の構成を示す。２５は電界放出型の電子銃で、非常に輝度の高い電子ビーム２８を発生する。なお、電子銃２５の周辺部の詳細は省略する。この電子ビーム２８はコンデンサレンズ２６および対物レンズ２７によって更に縮小され、試料３７の表面に照射される。この時、試料表面から放出される二次電子３８を検出器３３で検出する。なお、３６はアパーチャーである。

　電子ビーム２８は偏向器２９によって試料３７上を二次元的に走査される。これと同期させて、検出器３３の信号を画像表示装置３２に表示することにより、試料表面の情報が得られる。３１は偏向電極２９および表示装置３２の走査に使用される鋸歯状波電圧発生器であり、３０は偏向器用電源である。

　ところで、走査型電子顕微鏡が置かれている場所では、通常外部に揺動磁場が存在する。また、床は何らかの振動をしている。あるいは、装置が置かれている大気も振動している。従って、試料上の電子ビームの位置は、前記揺動磁場あるいは振動の影響を受けて所定の位置からずれた位置になることがある。従って、画像表示装置３２上の像は本来の試料３７上の構造とは異なったものとなってしまう。

　この問題に対して、特許文献１においては、外部磁場の検出手段（図２３では３９に相当）を設けて置き、その信号に基づいて電子ビームの偏向信号を補正することにより、外部磁場の振動によらず、常に電子ビームが所定の位置に照射されるようにする方法が提案されている。

　また、特許文献２では、逆に画像表示装置のＣＲＴの偏向回路に補正信号を同期させて入力し、歪の少ない画像を得る方法が提案されている。しかしながら、本方式においては以下のような問題がある。

　外乱を検出し、補正信号を発生させるには若干の時間がかかる。したがって、ビーム位置の補正は外乱と完全に同期させることは不可能である。外乱の変化が速い場合にはその影響は顕著となり、時間遅れのある補正手段を用いることによりかえって像信号が乱れたものとなることもある。また、画像表示を単に修正する場合には、場所によってビームの照射電荷密度が異なるという事態が起こり、見かけ上の濃淡が生じることがある。

　ところで、対物レンズとしては、試料表面にも磁場が印加されるいわゆるインレンズあるいはセミインレンズと呼ばれる方式が収査が小さいことが知られている。電子銃、コンデンサ、対物レンズの基本的な配列は図１４と同様であるが、偏向器が対物レンズの中に組み込まれている。

　図１５はセミインレンズ方式の対物レンズの構造の例を示すものである。ポールピース５２開放部は下を向いている。図の左側にレンズの中心軸に沿った磁場強度分布の概略を示す。試料４６表面に磁場がかかっているので、二次電子５１の軌道はレンズ中心付近に制限されるため、検出器はレンズのポールピースの外側に付けたのでは充分な検出効率が得られない。従って、ポールピース５２の内側あるいは上流側に設けられる。

　検出器５８は電子捕獲用のバイアスグリッド５４とシンチレータ５５そして光電子増倍管５６の組み合わせで構成されるのが普通である。バイアスの影響が電子ビームに及ばない様に、電子ビーム４２を取り囲むようにシールド用のチューブ５７が設置されている。この方式において、電子ビームの偏向領域を広くとるために電磁偏向器４４は、検出器５８よりも下流に設けられる。しかしながら、この場合には次の様な問題が生じる。

　図１６はこの問題を説明するための図で、偏向器が働いている状態での電子ビーム４２（一次電子）および二次電子５１の軌道を概念的に示すものである。二次電子は旋回して移動するが、簡単のために、二次電子の軌道は旋回中心の軌道を示している。中心軸付近の磁場は紙面垂直方向下向き（５９の記号で示す）であるとする。

　この場合、二次電子は一次電子と逆方向に偏向されることになる。しかも、一次電子のエネルギーは、例えば２ｋｅＶ程度、二次電子のエネルギーは通常高々数１０ｅＶであるから、偏向角度自体大きい。従って、一次電子の偏向領域を広くしようとすると、二次電子は大きく偏向されて途中で失われ、検出器に到達しない。従って、二次電子の検出効率を高くしたい場合には、一次電子の偏向領域はあまり広くできない（広く走査できない）という問題が生じていた。
特公昭５８−２２８５４号公報 特開平５−８２０６８号公報

　以上説明した如く、荷電粒子顕微鏡でステージを傾斜させると、ビームを照射したい領域が水平および垂直方向に大きくずれてしまうことが多く、これが装置の操作性を著しく低下させていた。

　また荷電粒子顕微鏡、とりわけ走査型電子顕微鏡においては、変化の速い外乱による像の乱れを補正することは困難であった。　
　また、インレンズ方式の対物レンズを用いる走査型電子顕微鏡において、検出器の下流に偏向器を設けた場合には、電子ビームの偏向領域を広くすることは困難であった。

　本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、操作性が良く、広い範囲で鮮明な画像が得られる荷電粒子顕微鏡を提供することにある。

　さらに詳細に言えば、第１に試料ステージを傾斜させてもビームを照射すべき領域が移動しない荷電粒子顕微鏡を提供することにあり、第２に従来困難であった変化の速い外乱による像の乱れを補正できる荷電粒子顕微鏡を提供することにあり、第３にインレンズ方式の対物レンズを使用した場合において、二次電子検出器の下流に偏向器を設けた場合でも偏向領域を広くとれる荷電粒子顕微鏡を提供することにある。

　上記課題を解決するために、本発明の荷電粒子顕微鏡では、電子ビームを対物偏向器により試料上に走査して得られる二次電子信号を、検出器により検出して画像表示する荷電粒子顕微鏡において、前記検出器は、前記対物偏向器より前記電子ビームの上流に設置され、前記対物偏向器は、電磁偏向器と、前記電磁偏向器と同期して働く静電偏向器とを含み、前記静電偏向器の電場は、前記電磁偏向器とほぼ同方向に前記電子ビームを偏向することを特徴とする。

　前記静電偏向器は、前記二次電子の前記電磁偏向器による偏向をほぼ打ち消す電場の強さで動作することが望ましい。　
　あるいは、前記静電偏向器による偏向電場の強さと、前記電磁偏向器による偏向磁場の強さとの割合を可変としてもよい。　
　また、静電偏向器の各電極に共通の静電位を与える手段をさらに設けても良い。

　本発明に含まれる走査型電子顕微鏡においては、電磁偏向器と同期して働く静電偏向器が電磁偏向器とほぼ同じ位置に設けられている。　
　上記の様に構成された走査型電子顕微鏡においては、二次電子の軌道は偏向器によって曲げられることがないので、効率よく検出することができる。

　以上の説明から明かな様に、本発明の荷電粒子顕微鏡においては、偏向磁場に加えて偏向電場を与えることにより、偏向領域が広い場合にでも二次電子を効率よく検出できる。また、検出する二次電子のエネルギー領域も容易に選択できる。

　以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。　
（第１の実施形態）
　図１は、本発明の第１の実施形態に係わる荷電粒子顕微鏡の模式的な断面図である。電子光学鏡筒１０１より、集束された電子ビームがウェハ１０３上の点１１３（点Ａと称する）を中心として照射される。ウェハ１０３はステージ１０９上に固定されている。ステージ１０９は、水平移動機構１０４、垂直微小移動機構１０５の上に載置され、これら機構ににより水平方向（ｘ−ｙ方向）の移動および上下方向の微小距離（Δｚ）の移動が可能となっている。

　これらの機構は第１の支持体１０６に載置され、第１の支持体１０６は傾斜機構１０７により、回転軸１１１を中心としたステージ１１２の傾斜角度の調節が可能となっている。第１の支持体１０６は、傾斜機構１０７を介して第２の支持体１０８により保持されており、第２の支持体１０８は垂直移動機構１０９によって、垂直方向（ｚ方向）の位置が粗調整される。１１０は垂直移動機構１１９の駆動装置である。水平移動機構１０４、垂直微小移動機構１０５、傾斜機構１０７、駆動装置１１０は、ステージコントローラ１１２により制御される。１０２は、装置全体の匡体である。

　本実施形態の特徴的なところは、光源および照明光学系よりなる発光部１１４、受光光学系および光検出器よりなる受光部１１５および高さ演算回路１１６よりなるｚ軸センサが設けられており、発光部１１４、受光部１１５がステージの傾斜機構１０７を支える部材１０８に取り付けられていることである。発光部１１４から照射された光１１７は、ウェハ１０３のビーム照射位置１１３で反射して受光部１１５で受光されるように調節される。このｚ軸センサは、試料上の光の照射位置の高さを測定するために用いる。

　荷電粒子ビームの照射位置点Ａ（１１３）は回転軸１１１を含む面で、ステージの高さ微調機構１０５の移動方向に平行な面内に来るように予め調整しておく。点Ａがこの面からずれている場合には、ステージ１１２の傾斜に伴い点Ａの位置が移動する。しかしながら、この点Ａの位置を所定の位置から許容範囲、例えば０．５μｍ程度以内に納まるように調整することは特に困難ではない。

　この調整は、例えば次のように行えばよい。まず、ステージを水平に保ち、回転軸（傾斜軸）１１１から離れた任意の注目点に荷電粒子ビームを照射して、画像表示装置（不図示）に二次電子像を得る。ステージを水平位置前後で傾斜させたときの像の動きを見る。ステージの水平面が回転軸を含まない場合は、ステージを水平面前後で１方向に傾斜角度を変えて行くと、像も１方向に移動する。

　ステージの高さを微調機構（垂直微小移動機構）１０５で変えて、同様に傾斜角度を１方向に変化させたとき、ステージの水平位置で前記注目点の像が折り返す動きをする高さに合わせる。このときビームの照射位置の高さは回転軸を含む高さ（面）と一致する。

　微調機構１０５としては、例えばピエゾ素子と拡大機構を用いれば容易に数ｎｍ程度の分解能が得られ、これはｚ軸センサの分解能よりも遥かに小さい。　
　次に、ステージを水平方向に移動させて、ステージを傾斜させたとき注目点の移動が最小になる位置まで移動させる。このときの注目点の位置は、ほぼ回転軸上にある。以後、ビームの照射位置はこの点に来るように、電子光学顕微鏡を設定する。また、このときのビーム照射位置の高さをｚ軸センサで測定しておき、この高さを基準位置として、ステージコントローラ１１２に記憶する。

　さて、前述のように発光部１１４において光源より発せられた光１１７は、照明光学系によって、ウェハ１０３上の荷電粒子ビームを照射したい点１１３（以下点Ａと称する）に結像される。受光部１１５では、点Ａの像を光検出器上に結像する。ここで、点Ａの高さが例えばウェハの反り等により微小変化すると、受光部では点Ａの動きとなって検出されるため、点Ａの高さの変化が求まる。

　点Ａの軸１１１（軸Ｂと称する）よりの高さ（距離）の変化Δｈは、像の移動量と光学系から演算回路によって求められ、その値はステージコントローラ１１２に与えられる。ステージコントローラ１２では、ステージの高さ微調機構１０５を用いて点Ａの高さを−Δｈだけ変化させる。これにより、点Ａは軸Ｂ上にくる。

　通常のｚ軸センサの高さ分解能は１μｍ程度であるから、ステージ傾斜時の点Ａの横方向の移動量は１μｍ以下となる。これは、ステージのｘｙ移動機構を用いてウェハを機械的に移動させずとも、レンズの偏向収差が充分小さい範囲で、荷電粒子ビームの走査範囲を移動させることにより、点Ａを荷電粒子ビームの照射領域に納めておくことのできる値である。

　このように本発明によれば、ウェハの反り等でウェハ表面の高さにばらつきがある場合でも、ステージを傾斜させた時の荷電粒子ビームの照射位置の移動を最小限にすることが可能となる。

　図１は、本発明の第２の利点をも示している。通常荷電粒子光学系の対物レンズは、レンズと試料間の距離が小さいほど分解能が良くなる。しかしながら、試料とレンズとの距離が狭いと、試料を大きく傾斜すると、ステージが対物レンズと衝突するために大きく傾斜できないという問題がある。従って、必要な傾斜角度と分解能に応じて、ステージの高さを変更することが行われる。

　本発明においては、ｚ軸センサの発光部１１４と受光部１１５とが、共に傾斜機構１０７の支持部（第２の支持体）１０８に取り付けられている。そのため、ステージの高さを変えても、ｚ軸センサの発光部１１４と受光部１１５の軸Ｂ（１１１）との高さ関係は変化しない。よって、ステージの高さに依らず、ウェハ上の荷電粒子を照射したい点Ａの高さを軸Ｂの高さに一致させることが可能となる。

　また、顕微鏡観察点を直接観察できるｚ軸センサーの代わりに、予めステージに試料を取り付けた状態で、観察点以外の場所で高さ分布を測っておき、高さ分布マップを記憶させるようにしてもよい。この場合、ある１観察点（第１観察点）でのステージの高さを実施形態で述べた方法で調節し、それ以外の観察点では高さマップに基づいて第１観察点との高さの差だけステージ高さを補正する。

（第２の実施形態）
　図２は、本発明の第２の実施形態に係る荷電粒子顕微鏡（走査型電子顕微鏡）の全体構成図、図３は対物レンズ周辺の概略構成を拡大して示したものである。図２において、１２５は電界放出型の電子銃で、非常に輝度の高い電子ビーム１２８を発生する。なお、電子銃の周辺部の詳細は、発明の本質に関係が無いので記載を省略している。この電子ビーム１２８はコンデンサレンズ１２６および対物レンズ１２７によって更に縮小され、試料１３７の表面に照射される。この時、試料表面から放出される二次電子１３８を検出器１３３で検出する。なお、１３６はアパーチャーである。

　電子ビーム１２８は偏向器１２９によって試料１３７上を二次元的に走査される。これと同期させて、検出器１３３の信号を画像表示装置１３２に表示することにより、試料表面の情報が得られる。１３１は偏向電極１２９および表示装置１３２の走査に使用される鋸歯状波電圧発生器であり、１３０は偏向器用電源である。

　さらに、本発明の特徴部分として、外乱検出器１３９が接続された演算回路１２２と、遅延回路１２３が備えられている。これらの機能について、以下に説明する。

　電子ビーム１２８は、理想的には図３に矢印１２１で示すように、試料１３７の上をラスター状に走査される。この走査は鋸歯状波電源１３１に接続された偏向器１２９により行われる。しかしながら、外部からの擾乱（外乱）たとえば磁場あるいは振動があると、軌道が本来軌道からずれてしまう。１２０はある瞬間における本来の軌道であり、Ｎはそのときに電子ビームが照射すべき試料上の位置である。

　Ｎの座標を（ｘ_ｎ ，ｙ_ｎ ）とする。外乱があるために、試料の軌道は１２８となり、従って試料上のＲに照射される。Ｒの座標は（ｘ_ｒ ，ｙ_ｒ ）とする。（ｘ_ｒ ，ｙ_ｒ ）は外乱が分かっていれば、（ｘ_ｎ ，ｙ_ｎ ）から計算できる。

　今外乱は外部磁場である場合を考える。外部磁場は装置の近くに置かれた例えばホール素子を用いた磁場検出器１３９によって検出される。検出器１３９から求められた外乱の情報と、（ｘ_ｎ ，ｙ_ｎ ）とから演算回路１２２によって、（ｘ_ｒ ，ｙ_ｒ ）を求める。

　この演算は、例えば次のように行う。予め検出器で検出される磁場と、ビームの照射位置との関係をキャリブレーションサンプルを使用して測定しておく。ビームの照射位置情報は、例えばキャリブレーションサンプルに形成された微少な金粒子にビームを照射することにより得られる。多くの場合には、装置周辺の外乱磁場の発生源の磁場の向きと照射位置の磁場の向きは同一であるので、測定された磁場とビームの照射位置のずれの間には高い相関があり、ほぼ一対一で対応する。

　この測定結果から、検出された磁場強度と実際のビーム照射位置との関係を表として用意し、演算回路１２２の中の記憶回路に保存する。演算回路１２２は検出器１３９から求めた磁場と、上記の表とを比べ、内挿によって外乱がある時のビームの実際の位置（ｘ_ｒ ，ｙ_ｒ ）を求める。演算回路１２２での計算時間に相当する遅れ時間を、遅れ回路１２３によって二次電子検出器１３３の信号を遅らせる。画像表示装置１３２では、この座標情報（ｘ_ｒ ，ｙ_ｒ ）を用いて遅延された信号を表示する。これにより、外乱によらず正確な画像情報が得られる。

（第３の実施形態）
　図４は、本発明の第３の実施形態に係わる荷電粒子顕微鏡の概略構成を示す図である。本実施形態は第２の実施形態の変形例で、同一箇所には同一番号を付してあるので重複する説明を省略する。

　図４に示すように、試料１３７の上部周辺の互いに直交する位置に、合わせて２個の検出器１３９ａを設け、実際にビームが感じる磁場の向きと強さを測定するようにしている。磁場の向きと強さに対するビーム照射位置のずれを予め測定しておいて、上記の測定結果に基づき外乱が存在するときのビーム照射位置を与えるようにする。

　このようにすることで、外乱が一種類でない場合にもより精度良く対応できる。検出器を、例えば鏡筒部分に２対、試料室に１対というように、複数組設けることも精度向上に有効である。この場合には、鏡筒の各部分において軌道の偏向量を測定しておき、各部分での偏向量の和としてビームの照射位置を求める位置を求めることができる。

　上記について図５に示す光学系で説明する。図５では、図４で省略した電子銃１２５から偏向器１２９までの光学系も併せて示している。１２６はコンデンサレンズで、１３６はアパーチャーである。クロスオーバ１３５は磁場がある場合には軸に垂直に（水平方向に）移動する。電子銃１２５とクロスオーバ１３５の間の外乱磁場の値は検出器対１３９ｃによって測定する。従って、検出器対１３９ｃの信号からクロスオーバ位置のずれ、例えばｘ方向であるとして、ｄ_ｘ１が求められる。このｄ_ｘ１の求め方は先に図３の例で述べた方法でよい。

　次に、クロスオーバ１３５からレンズ１２７の間の外乱磁場は、検出器対１３９ｂによって求められる。ここでの軌道のずれは、実効的にはクロスオーバ１３５の移動（ｄ_ｘ２，ｄ_ｙ２）として与えられる。レンズ１２７での縮小率を１／Ｍとすると、試料１３７上でのビームの動きは（ｄ_ｘ１＋ｄ_ｘ２，ｄ_ｙ２）／Ｍで与えられる。ただし、レンズでの像の回転の影響は１／Ｍを行列として１／Ｍに含まれるものとする。

　最後に、レンズ１２７と試料１３７との間の外乱磁場は検出器対１３９ａによって求められる。ここでの軌道のずれは（ｄ_ｘ３，ｄ_ｙ３）で与えられる。従って、ビームの試料照射位置１２４のずれは、（（ｄ_ｘ１＋ｄ_ｘ２，ｄ_ｙ２）／Ｍ＋（ｄ_ｘ３，ｄ_ｙ３）で与えられる。照射を予定した位置を（ｘ_ｎ ，ｙ_ｎ ）、実際にビームが照射される位置を（ｘ_ｒ ，ｙ_ｒ ）とすると、（ｘ_ｒ 、ｙ_ｒ ）＝（ｘ_ｎ 、ｙ_ｎ ）＋（ｄ_ｘ１＋ｄ_ｘ２、ｄ_ｙ２）／Ｍ＋（ｄ_ｘ３，ｄ_ｙ３）で与えられる。

　なお、図５においては図面が煩雑になるので記載を省略しているが、外乱検出器１３９ａ，１３９ｂ，１３９ｃの検出信号は、それぞれ演算回路１２２に入力されている。

　以上外乱が磁場の場合について説明した。外乱が振動の場合にもほぼ同様な方法が適用できる。例えば、鏡筒に加速度ピックアップを設ける。予め決まった周波数の床振動がある時の鏡筒振動の加速度の向きおよび大きさに対して、ビーム照射位置を測定することで、ビーム照射位置の鏡筒振動に対する応答が求められる。変位は加速度に対する線形応答として求められる。

　例えば、単純にステージと鏡筒間の相対振動の共振周波数をω_０ 、減衰係数をλで記述できる最も単純なモデルでは、少なくとも２つの異なる周波数において応答が求められれば、共振周波数ω_０ 、減衰係数λは求められる。変位は加速度に対する線形応答として求められる。現実には、もっと複雑な場合が多いので、加速度と変位の関係を再現する適当なモデルを用いる。システムが複雑な場合には、特にビームの位置を求める演算の時間が長くなるので、従来の補正方法では誤差が大きく、本方式を使用すればその有効性がさらに増すことになる。

（第４の実施形態）
　図６は、本発明の第４の実施形態に係わる荷電粒子顕微鏡の概略構成図である。本実施形態は第２の実施形態（若しくは第３の実施形態）の変形例であり、同一箇所には同一番号を付して、重複する説明を省略する。

　本実施形態では、走査情報と二次電子検出器信号と外乱信号とをそれぞれ記憶する手段（それぞれ参照番号１３４ａ，１３４ｂ，１３４ｃで示す）を設け、記憶された走査情報に対し、記憶された外乱信号により、第２若しくは第３の実施形態で述べた補正を行い、記憶された検出信号と合わせて画像表示するようにしている。なお、遅延回路１２３は、省略若しくは記憶回路１３４ｂに含ませることもできる。

　この場合、本来の位置情報が２次元の離散的な情報であり、一方補正処理を施した後の座標はこの離散的に与えられた座標と正確には一致しない。この問題の解決法を図７を用いて説明する。信号を与えるべき位置が（Ｍｄ_ｘ ，Ｎｄ_ｙ ）（Ｍ，Ｎは自然数、ｄ_ｘ ，ｄ_ｙ は位置の最小ステップ）と格子点で与えられたとする。簡単のために、ｄ_ｘ ，ｄ_ｙ を省略して（Ｍ，Ｎ）で位置を示す。補正後の座標が例えばＣ（１．３、３．８）とするとこれに対応する格子点はない。この場合には、この点の周囲の４点（１、３）、（２、３）、（１、４）、（２、４）に対して、この点に対応する信号を格子点との位置関係に応じて配分させる。通常この配分は各格子点が代表する領域を通るビームの電流に応じて行う。

　簡単のため、電子ビームの電流分布が一辺が、ｄ_ｘ の正方形の一様分布であるであると仮定し、ｄ_ｘ ＝ｄ_ｙ とすると、（１、３）、（２、３）、（１、４）、（２、４）に割り当てられるべき信号量は、各々０．２１対０．０９対０．４９対０．２１に分配される。

　ここでは、４点への配分としたが、ビームの広がりが格子点の間隔に比べ大きいときには、周囲の４点の更に周囲の格子点に信号を分配する。現実にはビーム分布は一様ではなく、例えば正規分布に近い分布をしていることが多い。この場合にも各格子点を通過する電流を求めてそれに応じて配分すれば良いことは容易に理解できる。

　ビームの電流分布がｅｘｐ（−（ｒ／ａ）^２ ／２）に比例するとする。ただし、ａはビーム半径で、ｒ^２ ＝ｘ^２ ＋ｙ^２ である。関数ｅｒｆ（ｘ）を次のように定義する。

　それぞれの区画への信号量の比は、次の式で与えられる。

（ｅｒｆ（１．３ｄ_ｙ ／ａ）−ｅｒｆ（０．３ｄ_ｙ ／ａ））×（ｅｒｆ（０．８ｄ_ｘ ／ａ）＋ｅｒｆ（０．２ｄ_ｘ ／ａ）：
（ｅｒｆ（１．３ｄ_ｙ ／ａ）−ｅｒｆ（０．３ｄ_ｙ ／ａ））×（ｅｒｆ（１．２ｄ_ｘ ／ａ）＋ｅｒｆ（０．２ｄ_ｘ ／ａ）：
（ｅｒｆ（０．３ｄ_ｙ ／ａ）＋ｅｒｆ（０．７ｄ_ｙ ／ａ））×（ｅｒｆ（０．８ｄ_ｘ ／ａ）＋ｅｒｆ（０．２ｄ_ｘ ／ａ）：
（ｅｒｆ（０．３ｄ_ｙ ／ａ）＋ｅｒｆ（０．７ｄ_ｙ ／ａ））×（ｅｒｆ（１．２ｄ_ｘ ／ａ）−ｅｒｆ（０．２ｄ_ｘ ／ａ）
　容易に分かるように、これ以外の領域にも割当てられる。例えば、（１、２）の領域には、（ｅｒｆ（２．３ｄ_ｙ ／ａ）−ｅｒｆ（１．３ｄ_ｙ ／ａ））×（ｅｒｆ（０．８ｄ_ｘ ／ａ）＋ｅｒｆ（０．２ｄ_ｘ ／ａ）に比例して配分される。

　ここで、このままでは位置によって信号の重みに違いが出ることがある。例えば位置（ｘ_１ ，ｙ_１ ）は外乱のために電子が一度も照射されず、（ｘ_２ ，ｙ_２ ）には複数回照射されることとすると、見かけ上（ｘ_１ ，ｙ_１ ）は暗く、（ｘ_２ ，ｙ_２ ）は明るく表示されることになる。

　通常電子ビームの走査の周期と外乱の周期とが一致しなければ、各点での信号を複数回の走査での足し合わせにより、各位置での重みは平均化されるので、このような問題は避けられる。

　さらに次のようにすることも可能である。すなわち、走査情報に基づいて各表示位置に対して重みを与えておき、この重みによって信号量を規格化する。具体的には、先に説明したように各格子点に信号を分配する際に、同時に各格子点の代表する領域に照射される電流の積分量すなわち電荷量を記憶しておき、この電荷量によって信号を規格化すればよい。

　速い信号がある場合に、１つの信号位置を指定している時間内に、複数の領域に跨ってビームが移動することがある。この場合には、ビームが通過した複数の領域に重み付けをしつつ、各領域を通過するときの信号を加える。実際にはこの時間を小時間に分割して、それぞれの時間では平均位置を用いるようにする。

　また、遅く大きな外乱が存在する場合には、従来例に見られるように、電子ビームの軌道そのものを外乱に応じて補正することを本発明の補正方法と併用して行うことも有効である。何故なら、このような電子ビームの軌道そのものの補正によって、かなりの程度ビームのずれは小さくなり、本発明による補正方法の補正範囲を小さくできる。この場合には、勿論本来の位置情報としては補正した軌道の情報を用いることになる。

　ところで、これまではすべて電子顕微鏡を例にとり説明してきたが、イオンを用いた顕微鏡においても、その観察原理は電子顕微鏡と同じであるので、全く同様に適用できる。また、二次電子の検出信号に限らず二次イオンを測定するＳＩＭＳ分析や二次中性粒子を測定するＳＮＭＳ、或いはＸ線、光を測定する装置にも全く同様に適用できることはいうまでもない。

（第５の実施形態）
　図８は、本発明の第５の実施形態に係わる荷電粒子顕微鏡（走査型電子顕微鏡）の対物レンズ周辺の模式的な断面図である。本実施形態は、インレンズあるいはセミインレンズ方式の電子顕微鏡に関するもので、電子銃、コンデンサレンズ、対物レンズの配列は図１４と同様であるが、二次電子検出器の位置と、偏向器の位置と構成に特徴がある。

　すなわち、図８に示すようにポールピース１５２開放部は下を向いている。図の左側にレンズの中心軸に沿った磁場強度分布の概略を示す。試料１４６表面に磁場がかかっているので、二次電子１５１の軌道はレンズ中心付近に制限される。

　検出器１５８は電子捕獲用のバイアスグリッド１５４とシンチレータ１５５そして光電子増倍管１５６の組み合わせで構成されている。バイアスの影響が電子ビームに及ばない様に、電子ビーム１４２を取り囲むようにシールド用のチューブ１５７が設置されている。この方式においても、電子ビームの偏向領域を広くとるために電磁偏向器１４４は、検出器１５８よりも下流に設けられている。

　この実施形態で特徴的なところは、電磁偏向器１４４の内側に静電偏向器１６１が設けられたことである。電磁偏向器と静電偏向器の組み合わせは、例えば図９のようになっている。１４４ａないし１４４ｄは電磁偏向器のコイル、１４５はコアである。また、１６１ａないし１６１ｄは静電偏向器の電極である。

　ここで、コイル１４４ａ，１４４ｂに矢印で示した方向に電流を流し、電極１６１ａに負、電極１６１ｃに正の電位を与える。これにより、中心軸付近では、電場２２２と磁場１５９とが直交するようにする。この時の一次電子と、二次電子の軌道を図１０に概念的に示す。

　今、中心軸上の偏向電場の強さＥ、偏向磁場の強さを大きさをＢ、作用長さを共にＬとする。一次電子のエネルギをＵ_１ 、二次電子のエネルギーをＵ_２ とする。電子の電荷をｅ、質量をｍとする。一次電子の偏向角は近似的に、
　　磁場による分が　ｅＢＬ／（２ｍＵ_１ ）^１／２
　　電流による分が　ｅＥＬ／２Ｕ_１
　　合計　　　　　　ｅＢＬ／（２ｍＵ_１ ）^１／２ ＋ｅＥＬ／２Ｕ_１
で与えられる。

　一方、二次電子の偏向角は、　ｅＢＬ／（２ｍＵ_２ ）^１／２ −ｅＥＬ／２Ｕ_１
で与えられる。ここで、電場、磁場の作用長さは一次電子と同じであると近似している。

　今、偏向電場Ｅを、Ｅ＝Ｂ（２Ｕ_２ ／ｍ）^１／２ に選ぶと、エネルギがＵ_２ である二次電子の偏向角は０となる。すなわち、偏向器の影響を全く受けないことになり、効率よく検出される。図１０はこれらの状態を模式的に示したものである。１５１ａはエネルギーがＵ_２ の電子の軌道、１５１ｂはＵ_２ よりもエネルギーが高いときの軌道、１５１ｃは逆にＵ_２ よりもエネルギーが低いときの軌道を示す。従って、電場Ｅの値は、主に検出したい二次電子のエネルギーに合わせて調節される。

　逆に、偏向電場と偏向磁場の比を調節することによって、検出する二次電子のエネルギー領域を選択することも可能である。例えば、低エネルギーの二次電子の像に加えて、高エネルギーの反射電子の像がほしい場合などに便利である。

　また、エネルギーの広い範囲で、二次電子を検出しようとする場合には、偏向電極に共通に正のバイアス電位を与えればよい。図１１は電磁コイル、偏向電極に電流あるいは電位を与える方法を示した回路図であるが、図１１（ｂ）の例では電源２２７によって偏向電極にバイアスを与えている。先の説明は電源２２７のバイアスが０の場合である。

　例えば、偏向電極の電位が共通に３ｋＶであるとすると、数ｅＶから数百ｅＶまでの電子はエネルギーに拘らず、静電偏向器によって軌道を補正される。この場合に図１０に示すように、電極を軸対称な形状にすることで、偏向電極による加速電場の軸対称性を改善できる。

　ここまでの説明では、簡単のために偏向電場と偏向磁場の作用長さは等しくとったが、実際には例えば電極を長くして、偏向電場の作用長さを長くすることで、必要な偏向電場の強さを小さくすることは可能である。上の式から明かなように、偏向電場と偏向磁場とは比例関係にある。この関係を実現するのは容易である。

　図１１（ａ）は、本発明を実現するような回路の１つの例を示している。２２３は電流源であり、電磁偏向器コイル１４４ａ，１４４ｂおよび静電偏向器電極１６１ａ、１６１ｃに接続されている。これらと直列に、可変抵抗２２４ａ，２２４ｂが接続されている。コイル１４４ａ、１４４ｃに電流を流すと、電極１６１ａ，１６１ｃの電位が電流に比例して変化し、偏向電場を発生する。偏向電場と偏向磁場との比は、可変抵抗２２４ａ、２２４ｂの抵抗を変えることで調節できる。全く同じ回路を組むことで、電磁偏向器コイル１４４ｂ，１４４ｄおよび静電偏向器電極１６１ｄ，１６１ｃの磁場と電場を比例させて、変化させることができる。

　また、図１１（ｂ）に示すように、電流増幅回路２２５と電圧増幅回路２２６に同一の信号発生回路２２４からの信号を加えて、同期した偏向電場と偏向磁場を発生することもできる。また、各静電偏向器に等しく静電位を与えることも容易である。

　ところで、ここまでは例を用いて本発明を実現する方法について説明してきたが、各コイル、偏向器に電流あるいは電位を与える電気回路は、図１１に例示したものに限定されないことはいうまでもない。

　また、電極の材料として導体を用いる場合に、電磁偏向の周波数が高いときに電極に渦電流が誘起され、場合によっては渦電流により生ずる磁場による新たな偏向の影響が無視できない場合も考えられる。その場合には、電極材料として、高抵抗材料例えば炭化珪素を用いることで、渦電流の影響を抑えることができる。

　また、静電電極の位置をずらせて、偏向磁場の小さい場所に配置することも可能である。但し、レンズの磁場による軌道の回転が起きるので、静電偏向による偏向の方向は、所定の偏向角度が得られるように決定される。これは電子光学的には簡単な計算である。

第１の実施形態に係わる荷電粒子顕微鏡システムの概略構成を示す断面図。 第２の実施形態に係わる荷電粒子顕微鏡の概略構成を示す図。 第２の実施形態における対物レンズ周辺の構成を模式的に示す図。 第３の実施形態に係わる荷電粒子顕微鏡の対物レンズ周辺の構成を模式的に示す図。 第３の実施形態の変形例の概略構成を示す図。 第４の実施形態に係わる荷電粒子顕微鏡の概略構成を示す図。 第４の実施形態における信号の分配方法を説明するための図。 第５の実施形態に係わる荷電粒子顕微鏡の対物レンズ周辺の概略構成を示す図。 第５の実施形態における電磁偏向器と静電偏向器の配置の例を示す図。 第５の実施形態における一次電子と二次電子の軌道を示す図。 第５の実施形態における電磁偏向器と静電偏向器に、電流あるいは電位を供給するための回路図。 従来の荷電粒子顕微鏡システムの断面図。 従来の荷電粒子顕微鏡システムにおいて、試料ステージを傾けた際に生じる問題点を説明するための図。 従来の荷電粒子顕微鏡の概略構成を示す図。 従来のインレンズ方式の荷電粒子顕微鏡の対物レンズ周辺の概略構成を示す図。 従来のインレンズ方式の荷電粒子顕微鏡における一次電子と二次電子の軌道を示す図。

符号の説明

　１０１…電子光学鏡筒
　１０２…匡体
　１０３…ウェハ（試料）
　１０４…水平移動機構
　１０５…垂直微小移動機構
　１０６…第１の支持体
　１０７…傾斜機構
　１０８…第２の支持体
　１０９…試料ステージ
　１１０…垂直移動機構駆動装置
　１１１…回転軸（傾斜軸）
　１１２…ステージコントローラ
　１１３…ビーム照射位置
　１１４…発光部
　１１５…受光部
　１１６…高さ演算回路
　１１７…光線
　１１９…垂直移動機構

Claims (3)

1. 　電子ビームを対物偏向器により試料上に走査して得られる二次電子信号を、検出器により検出して画像表示する荷電粒子顕微鏡において、
   　前記検出器は、前記対物偏向器より前記電子ビームの上流に設置され、前記対物偏向器は、電磁偏向器と、前記電磁偏向器と同期して働く静電偏向器とを含み、前記静電偏向器の電場は、前記電磁偏向器とほぼ同方向に前記電子ビームを偏向することを特徴とする荷電粒子顕微鏡。
2. 　前記静電偏向器は、前記二次電子の前記電磁偏向器による偏向をほぼ打ち消す電場の強さで動作することを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子顕微鏡。
3. 　前記静電偏向器による偏向電場の強さと、前記電磁偏向器による偏向磁場の強さとの割合を可変とすることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の荷電粒子顕微鏡。

Images