JP2008210702A - 荷電粒子ビーム装置及び印加電圧制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信号電子の描く軌道が変化した場合の信号電子の検出効率の低下を抑制することができる荷電粒子ビーム装置及び印加電圧制御方法を提供する。
【解決手段】試料２２を搭載可能な試料台２１と、荷電粒子ビーム源から発生した荷電粒子ビームを集束磁界により前記試料台上の試料に集束する電子光学系１３と、試料２２から発生した信号電子５を検出する信号電子検出器１と、信号電子検出器１に設けられた補助電極２−４と、補助電極２−４のそれぞれに電圧を印加する電極電源４６と、予め設定された補助電極２−４への印加電圧、試料台２１の傾斜角及び対物レンズ１１の集束磁界強度の相関関係を基に、試料台２１の傾斜角及び対物レンズ１１の集束磁界強度に応じて電極電源４６による補助電極２−４への印加電圧を制御する制御装置４０とを備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、荷電粒子ビーム装置及び印加電圧制御方法に関する。

一般に走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子ビーム装置は、電子ビームやイオンビーム等の荷電粒子ビーム（一次ビーム）を試料上に走査し、試料から発生する二次電子や後方散乱電子等の信号電子を検出して走査電子画像を得ている。具体的には、荷電粒子ビームを試料面上に照射することにより発生する信号電子の数を、電気的に増幅した電気信号として計測する。荷電粒子ビームが照射されて試料から発生する信号電子の数には照射場所の形状や組成の情報が反映されるので、信号電子の数に応じた電気信号を荷電粒子ビームの走査座標と同期させ、信号強度を二次元表示させることにより走査電子画像が得られる。

信号電子の検出には、一般にシンチレーション検出器が用いられる。シンチレーション検出器は、荷電粒子ビーム照射箇所で発生した信号電子を電子受光面まで引き寄せ且つシンチレータを充分に発光させるエネルギーを信号電子に与えるために、通常＋１０ｋＶ程度の電圧が印加される（特許文献１等参照）。

特開平５−６２６３４号公報

昨今の加工・分析・観察・解析に用いられる荷電粒子ビーム装置は、多機能化の傾向が強く、用途によって信号電子の描く軌道が変化し易くなってきている。例えば荷電粒子ビームのエネルギーを変更した場合には、荷電粒子ビームを試料観察面上に集束させるためビームエネルギーに応じて対物レンズの集束磁界強度を変えなければならない。また、ＦＩＢ−ＳＥＭ等では、試料台を傾斜させて集束イオンビームで試料を加工しながら加工断面を観察したりすることもある。このようにして対物レンズの集束磁界強度や試料面の傾斜角度が変わると、荷電粒子ビーム照射箇所から発生する信号電子が周囲の電界や磁界の影響を受けながら描く軌道も変わるが、どの軌道であっても高い収集効率で信号電子が検出されるようにすることが高精度な観察像を得るためにも必須である。

そこで本発明は、信号電子の描く軌道が変化した場合の信号電子の検出効率の低下を抑制することができる荷電粒子ビーム装置及び印加電圧制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、試料を搭載可能な試料台と、荷電粒子ビーム源から発生した荷電粒子ビームを集束磁界により上記試料台上の試料に集束する電子光学系と、試料から発生した信号電子を検出する信号電子検出器と、上記信号電子検出器に設けられた複数の補助電極と、上記複数の補助電極のそれぞれに電圧を印加する電極電源と、上記電極電源による前記補助電極への印加電圧を制御する制御装置とを備える。

本発明によれば、信号電子の描く軌道が変化した場合の信号電子の検出効率の低下を抑制することができる。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

まず本発明の基本原理について説明する。

荷電粒子ビーム装置において、試料に一次ビームである荷電粒子ビーム（電子ビーム、イオンビーム等）を照射すると、試料から信号電子（二次電子、後方散乱電子等）が発生する。荷電粒子ビームのエネルギーや試料に対する照射角度に依存して、入射荷電粒子の数に対して発生する信号電子の数は変化する。例えば、荷電粒子ビーム照射面に直交する線の間に角度θをなす方向に信号電子が出射すると定義したとき、二次電子はｃｏｓθの確率角度分布で所定のエネルギー分布（例えば約２ｅＶを最大に約５０ｅＶまでのエネルギー分布）で発生し、後方散乱電子は試料面への入射角度が垂直のときはｃｏｓθ、斜入射のときは鏡面反射の重なったｃｏｓθの確率角度分布で所定のエネルギー分布（例えば一次ビームのエネルギーを最大に約５０ｅＶ以上のエネルギー分布）で発生する。

発生した信号電子は、周囲の電界と磁界から受ける力で軌道を曲げられながら進行する。したがって、信号電子は、荷電粒子ビームを照射した試料観察面の傾斜角度（言い換えれば試料観察面に直交する方向）を初期値として確率的な重みを伴って任意の方向へ発生し、信号電子検出器が発生させる電界や対物レンズの集束磁界強度で決まる力の作用を受けて所定の軌道を描く。そのため、試料観察面の傾斜角度を変えたり、荷電粒子ビームのエネルギーに応じて対物レンズの集束磁界強度を変えたりすると、信号電子の軌道が変化する。このとき、電界中の信号電子は電界がつくる電気力線に沿った方向の力を受けるので、信号電子を効率良く捕集するには電界の電気力線の向きを改善すれば良い。

なお、本発明は、荷電粒子線を照射することにより試料から発生する信号電子を捉えて観察像を生成する装置、例えば、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を含む電子顕微鏡、走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ）を含むイオン顕微鏡、ＦＩＢ−ＳＥＭ、電子線検査装置等に代表される加工装置・観察装置等に適用可能である。次に説明する本発明の一実施の形態では、本発明を集束イオンビーム装置と走査電子顕微鏡の複合装置（ＦＩＢ−ＳＥＭ）に適用した場合を例示する。

図１は本発明の一実施の形態に係る荷電粒子ビーム装置の要部を抽出して表す概略構成図である。

図１に例示した荷電粒子ビーム装置であるＦＩＢ−ＳＥＭは、試料２２を搭載し保持することができる試料台２１、試料台２１上の試料２２の観察像を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）３０、試料２２を加工或いは観察する集束イオンビーム装置（ＦＩＢ装置）３１等を備えている。

ＳＥＭ３０は、図示しない荷電粒子ビーム源（電子ビーム源）から発生した荷電粒子ビーム（電子ビーム）６を対物レンズ１１の集束磁界により試料台２１上の試料２２に集束する電子光学系１３、荷電粒子ビーム６の照射により試料２２から発生した信号電子５を検出する信号電子検出器１を備えている。電子光学系１３は上記ＦＩＢ装置３１と試料２２の観察上の実質的に同じ場所に焦点を結ぶ位置関係に設置されている。ＳＥＭ３０とＦＩＢ装置３１の光軸の試料台２１に対する角度は特に限定されないが、図１では、ＦＩＢ装置３１は非傾斜時の試料台２１上の試料２２に対して光軸が垂直となる姿勢で、ＳＥＭ３０は非傾斜時の試料台２１上の試料２２に対して斜めから荷電粒子ビーム６を入射させる姿勢で、それぞれ設置されている。

試料台２１は、上下動・傾動・水平移動・回転等の動作が可能に構成されている。ＳＥＭ３０の対物レンズ１１には、荷電粒子ビーム６が試料２２の観察面で焦点を結ぶように荷電粒子ビーム６を集束する磁界を発生させるコイル１２が備えられている。コイル１２に流す励磁電流は、予め格納されたプログラムに従って、荷電粒子ビーム６のエネルギー（設定）に応じて制御される。

信号電子検出器１にはシンチレーション検出器が採用され、例えば＋１０ｋＶ程度の電圧を印加されたシンチレータを備えている。本実施の形態における信号電子検出器１には、複数の補助電極２−４が備えられている。補助電極２−４は、例えば、円柱状、角柱状、幅狭の板状等を含む棒状に形成されており、中空であっても中実であっても良いし、場合によっては網状の材料で形成されていても良い。補助電極２−４は、信号電子検出器１の電子受光面（試料２２を向いた端面）又は側面（外筒部分）に絶縁物を介して取り付けられ、信号電子検出器１から試料２２に向かって延在している。補助電極２−４はまた、自重による変形（撓み）が実質的に生じない（又は少ない）程度の強度が確保されている。また、酸化防止のための表面処理が施されているとより好ましい。さらに、本実施の形態では３本の補助電極２−４を設けた場合を例に挙げて説明したが、複数であれば良く、２本又は４本以上であっても良い。

本実施の形態では、補助電極２−４のうちの第一補助電極２は、信号電子検出器１から試料台２１の近傍まで延在されている。その長さはＦＩＢ装置３１やＳＥＭ３０との位置関係にもよって必ずしも限定されないが、第一補助電極２の先端から試料２２上のビームスポットまでの距離は短い方が良い。しかしながら、第一補助電極２の先端から試料２２上のビームスポットまでの距離は最短でも試料２２上のビームスポットからＳＥＭ３０の対物下面までの距離程度とする。それ以上第一補助電極２がビームスポットに近付くと、第一補助電極２から発生する電界のＳＥＭ３０の荷電粒子ビーム６の光軸への影響が大きくなる。

一方、第二補助電極３及び第三補助電極４は、本実施の形態においては第一補助電極２の３分の１程度の長さとしてある。但し、第二及び第三補助電極３，４の長さにも特に限定はなく、設計上可能であれば第一補助電極２と同じ長さとして構わない。また、第二補助電極３と第三補助電極４の長さは同じでも良いが、異なっていても構わず、空間的許容度（他の装置との位置関係）や信号電子５の軌道の偏り（ＳＥＭ３０の光軸の向き等）に応じて設定すれば良い。

また、各第二及び第三補助電極３，４は、試料２２に向かうにしたがって第一補助電極２から離間するように配置し、第一補助電極２とともに構成する立体角が拡開するようにすることが好ましい。したがって、ラッパ型の補助電極を複数に分割したような形状とすることも考えられる。但し、他の装置との位置関係によっては必ずしも補助電極２−４を拡開するように配置する必要はなく、補助電極２−４が互いに平行になるように取り付けたり先端に向かって互いに近付くように取り付けたりすることも考えられる。第一補助電極２に関しては、本実施の形態では信号電子検出器１の電子受光面の中心と試料２２上のビームスポットを結ぶ線（図示せず）とほぼ平行に配置しているが、先端に向かうにしたがってそのビームスポットに向かう線に近付くようにしても良いし、遠退くようにしても良い。また、第一乃至第三補助電極２−４は、信号電子検出器１の径方向のみならず、周方向に傾斜するように配設しても良い。

また、本実施の形態では、信号電子検出器１の電子受光面の中心に対する第一補助電極２の位置（位相）を０°としたとき、第二補助電極３が１３５°、第三補助電極４が２２５°の位置となるように配置した場合を例示している。但し、信号電子検出器１に対する補助電極２−４の取り付け位置についても、設置スペースの空間的許容度や信号電子５の軌道の偏りに応じて調整されるため、他の機器の配置によっては本例のように左右対称とせずに全体に偏った配置とすることが好ましい場合もある。

荷電粒子ビーム６が照射されることにより試料２２から発生する信号電子５は、コイル１２から発生する磁界と信号電子検出器１及び補助電極２−４のつくる電界から力を受けて図１に示したような軌道を描いて信号電子検出器１に捕捉され検出される。

なお、図１には特に図示していないが、例えばエネルギー分散型Ｘ線分光器やイオンビーム加工用デポジションガスノズル等の装置を試料台２１の周囲にさらに設ける場合もある。

図２は図１に示した荷電粒子ビーム装置の制御系を表すブロック図である。但し、図２では図１のＦＩＢ装置３１を省略してある。図２中の図１に対応する箇所には図１と同符号を付してある。

図２に示すように、本実施の形態の荷電粒子ビーム装置は、補助電極２−４のそれぞれに電圧を印加する電極電源４６、電極電源４６に指令して電極電源４６より補助電極２−４への印加電圧を制御する制御装置４０、制御装置４０との間で信号を授受する操作表示装置４１をさらに備えている。特に図示していないが操作表示装置４１は、操作者が操作入力するための操作部と制御装置４０からの表示信号を基に画像や情報を表示する表示部が備えられている。

制御装置４０は、予め設定された補助電極２−４への印加電圧、試料台２１の傾斜角及びＳＥＭ３０の光学条件の関係を基に、試料台２１の傾斜角及びＳＥＭ３０の光学条件の設定に応じて補助電極２−４への印加電圧を制御する。ここで言うＳＥＭ３０の光学条件とは、例えば電子光学系１３の荷電粒子ビームのエネルギー、或いは対物レンズ１１の集束磁界強度（つまりコイル１２の励磁電流）等を指すが、本実施の形態では荷電粒子ビームのエネルギーを光学条件の制御入力値とする場合を例示して説明する。

制御装置４０は、装置制御盤４２、記憶装置４３、コイル制御装置４４、電極電源４６、及び試料台制御装置４５を備えている。記憶装置４３は制御装置４０とは別に設けても良い。

記憶装置４３には、補助電極２−４への印加電圧、試料台２１の傾斜角及び荷電粒子ビーム６のエネルギーの相関関係が記憶されている。この相関関係は、本実施の形態では後述するシミュレーション等によって事前に検討されたものであり、例えば三者の適当な組合せがテーブルとしてまとめられている。例えば試料台２１の傾斜角毎に荷電粒子ビームのエネルギーに対して適当な補助電極２−４への印加電圧が事前に設定されている。但し、この三者の相関関係に関しては、後述するように事前に設定されるデータテーブルの他、試料台２１の傾斜角毎に実験的又は理論的に求められた荷電粒子ビーム６のエネルギーとそれに対する補助電極２−４の適当な印加電圧の関係式を相関関係として採用することも考えられる。また、荷電粒子ビーム６のエネルギー毎に試料台２１の傾斜角と補助電極２−４の印加電圧の組合せ又は関係式を相関関係として持たせることも考えられる。

本実施の形態の荷電粒子ビーム装置において、操作者が荷電粒子ビーム６のエネルギーと試料台２１の傾斜角度を操作表示装置４１に設定入力すると、その設定入力値は操作表示装置４１から装置制御盤４２に出力され、さらにコイル制御装置４４、試料台制御装置４５、記憶装置４３及び電子光学系１３に出力される。電子光学系１３では荷電粒子ビーム６のエネルギーが入力した設定値に調整される。コイル制御装置４４は、荷電粒子ビームのエネルギーの設定入力値を基に、対物レンズ１１の集束磁界が荷電粒子ビーム６を試料２２の観察面上に集束させるのに適当な強度となるように、コイル１２の励磁電流を制御する。一方、試料台制御装置４５は、試料台２１の傾斜角度の設定入力値を基に試料台２１に指令して試料台２１の傾斜角度を制御する。

このとき、装置制御盤４２は、入力された試料台傾斜角とビームエネルギーの設定入力値を基に、記憶装置４３に記憶されたデータテーブルから補助電極２−４の印荷電圧の対応の値を読み出し、電極電源４６への指令値として電極電源４６に指令信号を出力する。電極原電４６は、装置制御盤４２からの指令に従って補助電極２−４の各印加電圧を制御する。

ここで、補助電極２−４の印加電圧は、例えば次のように事前検討される。

ＦＩＢ装置３１とＳＥＭ３０の複合装置全体の基準座標３軸のうち水平面内の２軸をＸ軸、Ｙ軸と定義し、まず試料２２の観察面の傾斜角度がφＸ１，φＹ１の場合について説明する。

始めに第一補助電極２の印加電圧を決めるにあたって、荷電粒子ビーム６を電界偏向の影響を受け易い低エネルギー、例えば０．５ｋｅＶにしておき、第二補助電極３と第三補助電極４の印加電圧が０（ゼロ）の状態で、第一補助電極２の印加電圧を０（ゼロ）から正電圧で徐々に上げていき、このときの荷電粒子ビーム６の光軸からの変位量を計算で求める（計算結果の一例を図３に示す）。第一補助電極２の印加電圧は、荷電粒子ビーム６の変位量がＳＥＭ３０の電子光学系１３に搭載された偏向電極（図示せず）で補正できる範囲の値とする。例えば図３の計算結果から第一補助電極２の印加電圧の最大値を決定するなら、荷電粒子ビーム６の光軸からの変位量が電子光学系１３の偏向電極で補正できる距離の最大値（１０μｍ）となる印加電圧（＋２５０Ｖ）を第一補助電極２の印加電圧の最大値とする。なお、荷電粒子ビーム６の光軸からの変位量をシミュレーションするときの荷電粒子ビームエネルギーは０．５ｋｅＶに限定されず、またＳＥＭ３０の荷電粒子ビームエネルギーの全設定範囲に対して行っても良い。荷電粒子ビーム６のエネルギーが高いほど第一補助電極２の印加電圧の最大値は正に高くなる。

続いて第二補助電極３及び第三補助電極４の印加電圧最大値を決める。既に上記で算出された最大値（＋２５０Ｖ）を第一補助電極２に印加した状態で、上記同様、第二補助電極３と第三補助電極４の印加電圧を０（ゼロ）から正電圧で徐々に上げた場合の低エネルギー（例えば０．５ｋｅＶ）の荷電粒子ビーム６の光軸からの変位量を計算する。上記のように荷電粒子ビーム６の変位が補正可能な最大距離（例えば１０μｍ）となる補助電極３，４の印加電圧の値として算出された値をＶ_{２３ｍａｘ}とする。

次に、第二補助電極３及び第三補助電極４の印加電圧の平均値を決める。対物レンズ１１の集束磁界強度を０（ゼロ）からＳＥＭ３０の荷電粒子ビームエネルギーが最大のときにコイル制御装置４４から指令される値（例えば３０ｋｅＶ）まで変化させ、試料２２の観察面からｃｏｓθの確率角度分布で信号電子５を発生させる場合を考える。この場合、各補助電極２−４の印加電圧として、第一補助電極２に＋２５０Ｖを設定し、第二補助電極３と第三補助電極４の印加電圧を０からＶ_{２３ｍａｘ}まで上げていく。各設定における信号電子５の軌道をシミュレーションし、信号電子検出器１に到達した信号電子５の割合すなわち収集効率をシミュレーションする。

図４は信号電子の集光効率のシミュレーション結果の一例を表したもので、横軸に荷電粒子ビームエネルギーで表現した集束磁界強度、縦軸に信号電子の収集効率を採っている。

図４において、第二補助電極３及び第三補助電極４の印加電圧として０からＶ_{２３ｍａｘ}の範囲で適当な値Ｖ_１−Ｖ_４を設定し、磁界強度の各範囲Ｅ_１−Ｅ_４に対して信号電子５の収集効率が最大となる印加電圧をＶ_１−Ｖ_４の中から採用する。図４において、集束磁界強度Ｅ_１の範囲（本例の場合、荷電粒子ビーム６のエネルギー換算で２ｋｅＶ未満）では、第二補助電極３及び第三補助電極４の印加電圧の設定値がＶ_１（例えば＋４５０Ｖ）の場合に、信号電子５の収集効率が最大になることが判る。同様に、集束磁界強度Ｅ_２の範囲（２ｋｅＶ以上７ｋｅＶ未満）では第二補助電極３及び第三補助電極４の印加電圧の設定値がＶ_２（例えば＋３５０Ｖ）の場合に信号電子５の収集効率が最大となり、集束磁界強度Ｅ_３の範囲（７ｋｅＶ以上１２ｋｅＶ未満）ではＶ_３（例えば＋２５０Ｖ）、Ｅ_４の範囲（１２ｋｅＶ以上）ではＶ_４（例えば＋１５０Ｖ）の場合に、信号電子５の収集効率が最大となることが判る。したがって、集束磁界強度Ｅ_１−Ｅ_４の各範囲における第二補助電極３と第三補助電極４の印加電圧の平均値をそれぞれＶ_１−Ｖ_４に定める。

次に、第二補助電極３と第三補助電極４の個別の印加電圧を決める。例えば第一補助電極２に＋２５０Ｖの印加電圧を設定し、第二補助電極３の印加電圧をＶ_２−１＝Ｖ_１＋Ｖ_Ｎ、第三補助電極４の印加電圧をＶ_３−１＝Ｖ_１−Ｖ_Ｎとする。Ｖ_Ｎは正・負の両方の値を採って絶対値を徐々に大きくしていく。このときの信号電子５の収集効率を図４の例と同じ方法でシミュレーションし、収集効率が一番高くなるときのＶ_Ｎｍａｘを求め、Ｖ_Ｎ＝Ｖ_ＮｍａｘのときのＶ_２−１，Ｖ_３−１を範囲Ｅ_１における補助電極３，４のそれぞれの印加電圧に定める。同じことをＶ_２，Ｖ_３，Ｖ_４に対しても行う。その結果、範囲Ｅ_１のときの第二補助電極３の印加電圧Ｖ_２−１（＝Ｖ_１＋Ｖ_Ｎ）と第三補助電極４の印加電圧Ｖ_３−１（＝Ｖ_１＋Ｖ_Ｎ）、範囲Ｅ_２のときの第二補助電極３の印加電圧Ｖ_２−２（＝Ｖ_２＋Ｖ_Ｎ）と第三補助電極４の印加電圧Ｖ_３−２（＝Ｖ_２＋Ｖ_Ｎ）、範囲Ｅ_３のときの第二補助電極３の印加電圧Ｖ_２−３（＝Ｖ_３＋Ｖ_Ｎ）と第三補助電極４の印加電圧Ｖ_３−３（＝Ｖ_３＋Ｖ_Ｎ）、範囲Ｅ_４のときの第二補助電極３の印加電圧Ｖ_２−４（＝Ｖ_４＋Ｖ_Ｎ）と第三補助電極４の印加電圧Ｖ_３−４（＝Ｖ_４＋Ｖ_Ｎ）が定まる。

図５は上記手順で決定した印加電圧を第一補助電極２のみに印加した場合に得られる収集効率と第１乃至第三補助電極２−４に印加した場合に得られる収集効率とを比較して表したグラフである。

図５において、第一補助電極２のみに印加電圧をかけた場合に比べると、補助電極２−４に印加電圧をかけた場合、特に荷電粒子ビームエネルギーが低いときの集束磁界強度で収集効率が向上することが確認できる。これは対物レンズ１１の集束磁界強度の変化に伴って変化した信号電子５の軌道に対し、第二補助電極３及び第三補助電極４の印加電圧の最適化によって信号電子検出器１に信号電子５を誘導するのにより好適な電気力線を発生させる電界が形成されたことによるものである。

同じ方法で、試料台２１の傾斜角度がφＸ１，φＹ１以外の場合について、第一乃至第三補助電極２−４の印加電圧値を決定する。本実施の形態では、このようにして試料台２１の傾斜角度毎に、ＳＥＭ３０の光学条件と試料台２１の傾斜角度の組み合わせに対して適当な印加電圧を予め算出しておき、それら三者の組合せのデータテーブルを記憶装置４３に記憶させる。

このように本実施の形態によれば、使用者が荷電粒子ビームエネルギーや試料２１の観察面の傾斜角度の設定値や対物レンズ１１の集束磁界強度の設定値（本例の場合は集束磁界強度が荷電粒子ビーム６のエネルギーに応じて変化するためビームエネルギーの設定値を制御入力値とした）を変更する毎、傾斜角や集束磁界強度の変更後の設定値に対応し、信号電子５を信号電子検出器１に効果的に導き信号電子５の収集効率が良好となる好適な値に補助電極２−４の印加電圧値が自動的に変更される。

したがって、本実施の形態によれば、試料台２１の傾斜角やＳＥＭ３０の光学条件が変更されて信号電子５の描く軌道が変化しても、信号電子５の検出効率の低下を抑制することができ、高画質で信頼性の高い試料観察像を得ることができる。また、信号電子収集時間の短縮による観察像取得時間の短縮効果も期待できる。しかも、試料台２１の傾斜角や対物レンズ１１の集束磁界強度等の観察条件を変更すれば、制御装置４０により自動的に補助電極２−４の印加電圧が変更されるので、観察中において補助電極２−４の印加電圧の設定に特別な操作を必要としない。

ここで、昨今の加工・分析・観察・解析に用いられる荷電粒子ビーム装置は、多機能化の傾向が強く、観測対象となる試料台周辺の狭隘な空間に目的に応じて必要な装置が集中する。そのため、各装置の配置が大きく制約され高効率に信号電子を検出することを重視した位置に信号電子検出器を設置するのが困難となる場合がある。また、あまり装置が密集すると、場合によっては信号電子の軌道に装置が干渉し信号電子の検出効率を低下させる恐れもある。

本実施の形態において、仮に補助電極２−４の代わりにラッパ型の補助電極を信号電子検出器１に取り付けたとすると、補助電極自体の占有空間が大きく、試料２２の観察面に補助電極を充分に近付けることも難しい。そのため、信号電子５の軌道に変化が予想される場合、信号電子検出器１又は補助電極の印加電圧を上げて収集電界強度を強めて信号電子５の収集効率を補う必要が生じる。しかし、収集電界強度の過度な増大は荷電粒子ビーム６の偏向を助長し画質を劣化させる要因にもなり得る。

それに対し、本実施の形態では補助電極２−４が棒状に形成されているため、ラッパ型の補助電極に比べて補助電極２−４の先端を試料２２の観察面に近づけ易い。したがって、荷電粒子ビーム６の変位量がＳＥＭ３０の偏向電極によって補正できる程度に補助電極２−４の印加電圧を抑えることができる。また、補助電極２−４が棒状でそれぞれの占有空間が小さいため、ラッパ型の補助電極に比べて補助電極２−４の取り付け角度の自由度も大きく補助電極２−４の立体角を大きくとる上でも有利である。補助電極２−４の立体角を適度に大きく採ることができることは、信号電子５の収集効率を向上する点で大きなメリットである。

また、前述したように本発明は、図１に示したようなＦＩＢ−ＳＥＭに限らず、荷電粒子ビームの照射により試料から発生する二次電子や後方散乱電子等の信号電子を信号電子検出器で検出する型の荷電粒子ビーム装置全般に適用可能である。例えば、図１ではＳＥＭ３０でＳＥＭ観察像を得るのに補助電極２−４の印加電圧が制御される例を説明したが、ＦＩＢ装置３１でＳＩＭ観察像を得る場合にイオンビームのエネルギーと試料台２１の傾斜角との相関関係を事前検討し、その相関関係を記憶装置４３に記憶しておくことで、ＦＩＢ装置３１でＳＩＭ観察像を得る場合に補助電極２−４の印加電圧が制御されるようにすることもできる。

また、図１−図５を用いて説明した上記実施の形態では、試料台傾斜角及び荷電粒子線装置の光学条件を制御入力値として補助電極の印加電圧を制御する場合を例に挙げて説明したが、試料台を傾斜させる機能を持たない荷電粒子ビーム装置では、荷電粒子ビーム装置の光学条件のみを制御入力値にすれば良い。この点について、例えば電子線検査装置に本発明を適用する場合について説明する。

半導体デバイスの欠陥検査装置として電子線検査装置を用いる場合、プロセス工程中のデバイス構造を走査電子画像として取り込み、本来あるべきでない像が確認されれば欠陥として認識される。その信号電子検出器には前述した実施の形態と同様にシンチレータを有する信号電子検出器が一般に用いられ、荷電粒子ビームエネルギーを変えて撮像するが、試料台は水平方向に移動しても傾斜はしない。また、半導体デバイスが比較的大きく、試料台近傍にデバイス表面の高さを測定する光学式センサ等を備えていることから、信号電子検出器を荷電粒子ビーム照射場所に近付けることも難しい。

このような構造の装置に対しては、前述した実施の形態と同様に棒状の複数の補助電極を信号電子検出器に付加し、試料台の傾斜角度は１条件のみで荷電粒子ビームエネルギーに対する最適印加電圧を求める。信号電子の収集効率が向上するのみならず、信号電子は効率よく信号電子検出器に捕捉されるので、収集完了までの時間も短縮される。これにより、信号電子収集効率向上による高画質で信頼性の高い観察像を取得することができ、信号電子収集時間の短縮による走査電子画像取得時間の短縮の効果も期待できる。

また、試料台が対物レンズに入り込んでいるセミ・インレンズ型の荷電粒子ビーム装置は高分解能である反面、漏洩した磁場により対物レンズ内に一部の信号電子が閉じ込められる場合がある。こうしたセミ・インレンズ型の荷電粒子ビーム装置に本発明を適用した場合でも、補助電極が棒状で補助電極を試料観察面に近付け易いため、補助電極がつくる電界による電気力線を信号電子に作用させ易く、信号電子の収集効率の向上に大きく寄与する。

本発明の一実施の形態に係る荷電粒子ビーム装置の要部を抽出して表す概略構成図である。 図１に示した荷電粒子ビーム装置の制御系を表すブロック図である。 補助電極印加電圧と荷電粒子ビームの光軸からの変位の関係を示す図である。 信号電子の集光効率のシミュレーション結果の一例を表した図である。 第一補助電極のみに電圧を印加した場合に得られる収集効率と第１乃至第三補助電極に電圧を印加した場合に得られる収集効率とを比較して表した図である。

符号の説明

１ 信号電子検出器
２−４ 補助電極
５ 信号電子
６ 荷電粒子ビーム
１１ 対物レンズ
１３ 電子光学系
２１ 試料台
２２ 試料
４０ 制御装置
４３ 記憶装置
４６ 電極電源

Claims (9)

1. 試料を搭載可能な試料台と、
   荷電粒子ビーム源から発生した荷電粒子ビームを集束磁界により前記試料台上の試料に集束する電子光学系と、
   試料から発生した信号電子を検出する信号電子検出器と、
   前記信号電子検出器に設けられた複数の補助電極と、
   前記複数の補助電極のそれぞれに電圧を印加する電極電源と、
   予め設定された前記補助電極への印加電圧及び荷電粒子ビームの光学条件の相関関係を基に、荷電粒子ビームの光学条件に応じて前記電極電源による前記補助電極への印加電圧を制御する制御装置と
   を備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
2. 試料を搭載可能な試料台と、
   荷電粒子ビーム源から発生した荷電粒子ビームを集束磁界により前記試料台上の試料に集束する電子光学系と、
   試料から発生した信号電子を検出する信号電子検出器と、
   前記信号電子検出器に設けられた複数の補助電極と、
   前記複数の補助電極のそれぞれに電圧を印加する電極電源と、
   予め設定された前記補助電極への印加電圧、前記試料台の傾斜角及び荷電粒子ビームの光学条件の相関関係を基に、前記試料台の傾斜角及び荷電粒子ビームの光学条件に応じて前記電極電源による前記補助電極への印加電圧を制御する制御装置と
   を備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
3. 請求項１の荷電粒子ビーム装置において、予め設定された前記補助電極への印加電圧、及び前記荷電粒子ビームの光学条件の組合せを前記相関関係として記憶した記憶装置を備え、前記制御装置は、荷電粒子ビームの光学条件の設定値を基に、それら設定値に対応する前記補助電極への印加電圧を前記記憶装置から呼び出し、呼び出された印加電圧の値を基に前記電極電源に指令信号を出力することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
4. 請求項２の荷電粒子ビーム装置において、予め設定された前記補助電極への印加電圧、前記試料台の傾斜角及び前記荷電粒子ビームの光学条件の組合せを前記相関関係として記憶した記憶装置を備え、前記制御装置は、前記試料台の傾斜角及び荷電粒子ビームの光学条件の設定値を基に、それら設定値に対応する前記補助電極への印加電圧を前記記憶装置から呼び出し、呼び出された印加電圧の値を基に前記電極電源に指令信号を出力することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
5. 請求項１又は２の荷電粒子ビーム装置において、前記複数の補助電極は、棒状に形成されていて、前記信号電子検出器から前記試料台上の試料に向かって延在していることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
6. 請求項１又は２の荷電粒子ビーム装置において、荷電粒子ビームの光学条件は、前記荷電粒子ビームのエネルギー又は集束磁界強度であることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
7. 試料を搭載する試料台と、
   荷電粒子ビーム源から発生した荷電粒子ビームを集束磁界により前記試料台上の試料に集束する電子光学系と、
   試料から発生した信号電子を検出する信号電子検出器と、
   前記信号電子検出器に設けられ、前記信号電子検出器から前記試料台上の試料に向かって延在する棒状の複数の補助電極と、
   前記複数の補助電極のそれぞれに電圧を印加する電極電源と、
   前記電極電源による前記補助電極への印加電圧を制御する制御装置と
   を備えたことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
8. 試料から発生した信号電子を検出する信号電子検出器に設けられ、信号電子を前記信号電子検出器に誘導する複数の補助電極の印加電圧制御方法であって、
   前記複数の補助電極の印加電圧、及び荷電粒子ビームの光学条件の相関関係を事前に設定しておき、前記相関関係を基に、荷電粒子ビームの光学条件に応じて前記補助電極への印加電圧を制御することを特徴とする印加電圧制御方法。
9. 試料から発生した信号電子を検出する信号電子検出器に設けられ、信号電子を前記信号電子検出器に誘導する複数の補助電極の印加電圧制御方法であって、
   前記複数の補助電極の印加電圧、試料を搭載可能な試料台の傾斜角、及び荷電粒子ビームの光学条件の相関関係を事前に設定しておき、前記相関関係を基に、前記試料台の傾斜角及び荷電粒子ビームの光学条件に応じて前記補助電極への印加電圧を制御することを特徴とする印加電圧制御方法。

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