JP2012169091A

JP2012169091A - 走査型電子顕微鏡

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Publication number: JP2012169091A
Application number: JP2011027970A
Authority: JP
Inventors: Norimichi Anazawa; 紀道穴澤; Akira Yonezawa; 彬米澤
Original assignee: Holon Co Ltd
Current assignee: Holon Co Ltd
Priority date: 2011-02-11
Filing date: 2011-02-11
Publication date: 2012-09-06
Anticipated expiration: 2031-02-11
Also published as: JP5749028B2

Abstract

【目的】本発明は、走査型電子顕微鏡に関し、複数の近接した電子ビームを使って同時並列に画像を得るが、その際に、それぞれの電子ビーム走査によって発生する２次電子を分離して検出することを目的とする。
【構成】試料を搭載して平面内で試料を移動可能な移動機構と、複数の１次電子ビームをそれぞれ細く絞って移動機構に搭載した試料上にそれぞれ独立に照射する複数の微小対物レンズと、複数の微小対物レンズに対応付けて設け、それぞれ１次電子ビームを移動機構に搭載した試料上で走査するように偏向するそれぞれの偏向器と、複数の微小対物レンズに対応付けて設け、それぞれの試料から放出された２次電子が微小対物レンズの磁場で軸上に収束されて１次電子ビームの試料上への照射方向と逆の軸上の方向に設けた、それぞれ独立に２次電子を検出・増倍するそれぞれの検出器とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料上を複数の１次電子ビームで走査してそれぞれの画像を取得する走査型電子顕微鏡に関するものである。

従来、半導体産業、あるいはＭＥＭＳなどの微細加工はリソグラフィー技術が広く応用されているが、性能の進化と生産性の向上のための微細化が進んだ結果、光リソグラフィーから電子リソグラフィーへの転換が検討されている。

また，これらの技術による加工製品の検査も光から電子へ移行しなければ微細化に対応できなくなっている。

したがってナノメータ領域の観察や測定には普通，走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が広く利用されている。

しかし電子技術に共通の欠点として処理速度の低さが問題となっている。ＳＥＭでは細く収束した１本の電子ビームによって試料表面を走査してゆくために、分解能を高く、つまりビームを細く収束すればするほど、全体を観察する時間が長くなってしまう。

従来、このような問題を解決するために複数の電子ビーム鏡筒を並べて同時並行的にＳＥＭ画像を取得する方法が提案されている。

しかし、上述した従来の方法ではそれぞれの鏡筒で個別のレンズを使用するためにビームの間隔を小さくできないし、小さくすれば検出器が接近するために２次電子を区別することが困難になるなどの問題があって実用化されていない。

本発明は、これらの問題を解決するために、複数の近接した電子ビームを使って同時並列に画像を得るが、その際に、それぞれの電子ビーム走査によって発生する２次電子を分離して検出できる装置である。

そのため、本発明は、試料上を複数の１次電子ビームで走査してそれぞれの画像を取得する走査型電子顕微鏡において、試料を搭載して平面内で試料を移動可能な移動機構と、複数の１次電子ビームをそれぞれ細く絞って移動機構に搭載した試料上にそれぞれ独立に照射する複数の微小対物レンズと、複数の微小対物レンズに対応付けて設け、それぞれ１次電子ビームを移動機構に搭載した試料上で走査するように偏向するそれぞれの偏向器と、複数の微小対物レンズに対応付けて設け、それぞれの試料から放出された２次電子が微小対物レンズの磁場で軸上に収束されて１次電子ビームの試料上への照射方向と逆の軸上の方向に設けた、それぞれ独立に２次電子を検出・増倍するそれぞれの検出器とを備え、複数の電子ビームを試料上に独立に照射しつつ走査し、同時並列に放出された２次電子をそれぞれ独立に検出・増倍して複数の２次電子画像を同時並列に生成するようにしている。

この際、全ての偏向器が試料上を一定方向に１次電子ビームをそれぞれ走査すると共に、移動機構が走査方向と直角方向に試料を走査し、試料上を１次電子ビームで面走査するようにしている。

また、微小対物レンズは、１組のコイルで励磁される円筒型の対物レンズの内側の上極に、孔を開けて微小対物レンズをそれぞれ構成するようにしている。

また、円筒型の対物レンズの外側の下極は、開放、あるいは全面閉鎖して上極に平行な磁極板、とするようにしている。

また、微小対物レンズに、偏向器、検出器をそれぞれ独立に設けると共に、更に、磁場非対称性成分および固有の収差の補正を行う非点補正器、焦点補正器の１つ以上をそれぞれ設けるようにしている。

また、複数の１次電子ビームは、電子源から放出された１つの１次電子ビームを複数の微小孔を設けた絞り板を通過させて複数の１次電子ビームを形成するようにしている。

また、複数の１次電子ビームは、１つの電子銃内に設けた複数の電子源からそれぞれ放出された、複数の１次電子ビームとするようにしている。

本発明は、複数の近接した電子ビームを使って同時並列に画像を得るが、その際に、それぞれの電子ビーム走査によって発生する２次電子を分離して検出することにより、試料から拡大した複数画像を同時並列に取得して極めて高速に画像を生成することが可能となる。

本発明は、複数の近接した電子ビームを使って同時並列に画像を得るが、その際に、それぞれの電子ビーム走査によって発生する２次電子を分離して検出し、試料から拡大した複数画像を同時並列に取得して極めて高速に画像を生成することを実現した。

図１は、本発明の１実施例構造図を示す。

図１において、電子源１は、１次電子ビーム２を放射するものであって、ショトキー型などの電子源である。

１次電子ビーム２は、電子源１から放出された１次電子ビームであって、ここでは、図示のように、後段で例えば３つの１次電子ビーム５に分割する前の１次電子ビームである。

電子レンズ３は、１次電子ビーム２を収束するものであって、ここでは、図示のようにビーム絞り４上の小さな孔に向けて１次電子ビームを照射（例えばほぼ平行に照射）するためのレンズ（静電レンズ、磁界レンズ）である。

アライメントコイルは、図示していないが、電子源１から放出された１次電子ビーム２が電子レンズ３によってビーム絞り４の所望の場所に照射するように軸合わせするものである。

ビーム絞り４は、１つの１次電子ビームから所望の数の１次電子ビームを取得するための小さい孔を有する絞りである。図示のビーム絞り４により、１つの１次電子ビーム２から、ここでは、３つの１次電子ビーム５に分割して生成している様子を模式的に示す。

１次電子ビーム５は、ビーム絞り４により１つの１次電子ビーム２から分割して生成された１次電子ビームであって、微小対物レンズ１０によりそれぞれ試料２１上に微小なスポットにフォーカスするものでる。

対物レンズ６は、上極および下極を有する円筒型の磁界レンズであって、図示の状態では下極９は開放となっている。尚、図示の下極９にカップ状の底面の閉鎖した磁極を装着して当該対物レンズ６の下極を閉鎖する構造としてもよい。

コイル７は、対物レンズ６を励磁するコイルである。

上極８は、円筒型の対物レンズ６の上極である。

下極９は、円筒型の対物レンズ６の下極であって、図示の当該下極９は開放型の例である。閉鎖型の下極は、図示の下極９にカップ状の磁極を接続して完全に閉鎖して形成する（例えば試料２１、ステージ２２を含むカップ状の磁極を接続して完全に密閉する）。

微小対物レンズ１０は、円筒型の対物レンズ６の上極８の軸中心の近傍に、小さな孔を開けた独立の微小な対物レンズである。各微小対物レンズ１０の孔の上から、分割された１次電子ビーム５がそれぞれ入射し、当該各微小対物レンズ１０によりフォーカスされて試料１２上にそれぞれスポットとして照射する。１次電子ビーム５のスポットで照射された試料１２から放出された２次電子１２は、当該各微小対物レンズ１０の磁界により軸上を回転しながら上方に配置した検出器（例えばＭＣＰ）１１に向かって走行して当該検出器１１に衝突して検出・増倍される。

検出器１１は、２次電子１２を検出・増倍するものであって、例えばＭＣＰ，シンチレータなどの２次電子検出・増倍器である。検出器１１の中心には、１次電子ビーム５が試料２１に向けて通過する孔が設けれている。また、検出器１１には、正の電圧を印加して試料２１から放出された２次電子１２を、静電力で吸引するようにしてもよい。

２次電子１２は、試料２１から放出された２次電子であって、ここでは、微小対物レンズ１０の磁界により軸上を螺旋を描きながら、検出器１１に向けて走行して当該検出器１１に衝突して検出・増倍される２次電子である。

偏向器１３は、１次電子ビーム５を偏向し、当該細く絞った１次電子ビーム５が試料２１上で一定方向に走査（あるいは更に直角方向に走査）するためのものである。更に、当該偏向器１３には、微小対物レンズ１０毎に設けて磁場非対称性成分および固有の収差（主に非点）の補正を行う４極、８極などからなる偏向器（焦点補正用、非点補正用などの偏向器）も併せて組み込む（あるいは重畳して電圧／電流を供給して動作させる）。

収束磁場１４は、対物レンズ６を構成する上極８と下極９とによって生成される収束磁場であって、ここでは、上極８に設けた孔でそれぞれ構成される微小対物レンズ１０を形成するための磁場である。

試料２１は、複数の微小対物レンズ１０により１次電子ビーム５をそれぞれ収束して平面走査する対象の試料であって、例えばマスク、ウェハなどである。

ステージ２２は、試料２１を搭載してＸ、Ｙ方向に移動するものであって、図示外のレーザ干渉計により精密に測定しつつ移動するものである。

電子源電源３１は、電子源１から１次電子ビームを放射するための電源を供給するものであって、数百ボルトから１０ＫＶ程度の負高圧電源などである。

レンズ電源／アライメント電源３２は、電子レンズ３、図示外のアライメントコイルなどの電源を供給し、ビーム絞り４上の所望の１次電子ビーム２を形成するものである。

検出信号増幅器３３は、検出器１１に所定の正の高電圧を印加し、当該検出器１１に入射した２次電子を検出・増倍などし、試料２１から放出された２次電子ビーム１２を検出・増幅した信号を出力するものである。

ビーム偏向電源３４は、偏向器１３に１次電子ビーム５を偏向する電源を供給したり、磁場非対称性成分および固有の収差（主に非点）の補正を行ってたりする電源（電圧／電流）を供給するものである。

画像表示／画像保存装置３５は、検出信号増幅器３３からの２次電子検出信号を、ビーム偏向電源３４から供給された走査信号に同期して画面上に２次電子画像として表示したり、２次電子画像をメモリに保存したりなどするものである。

対物レンズ電源／補正電源３６は、対物レンズ６のコイル７に電流を供給したりなどするものである。

ステージ制御電源／補正電源３７は、ステージ２２を図示外のレーザ干渉計からの信号をもとに精密に移動制御する電源を供給するものである。

図１の構造の概略動作は、下記の通りである。

ステップ１：電子源から発生した１次電子ビーム２を複数の１次電子ビーム５に分ける。

ステップ２：複数の１次電子ビーム５を並列に微小対物レンズ１０に導き、試料２１上に収束する。

ステップ３：複数の１次電子ビーム５を試料２１上の一定面積にわたって走査する。

ステップ４：試料２１上で発生した２次電子１２を収束して個別の検出器１１に導き検出する。

ステップ５：検出した２次電子信号を増幅し、画像表示あるいは画像を保存する。

以下、図１の構造について、図２から図４を用いて詳細に説明する。

（１）ステップ１（電子源から発生した１次電子ビーム２を複数の１次電子ビーム５に分ける。）：図２を用いて詳細に説明する。

図２は、本発明の１次電子ビームの説明図を示す。

図２の（ａ）は１つの１次電子ビーム２を複数に分割する例を示し、図２の（ｂ）は複数の１次電子ビームを直接生成する例を示す。

図２の（ａ−１）は全体の構造例を示し、図２の（ａ−２）はビーム絞り４の孔の例を示す。

図２の（ａ−１）において、電子源１から発生した１次電子ビーム２を複数の１次電子ビーム５に分割する。電子源１からの電子ビーム２は角度の広がりをもつ。たとえばショットキー電子源１などでは±５〜６度である。この場合、電子源１から２０ｍｍ離れると電子ビームの直径は４ｍｍ程度になるので、当該図２の（ａ−１）に示すビーム絞り４の中心と±１ｍｍの位置に２個、合計３個のアパーチャを置けば３本の１次電子ビーム５を形成できる。当該図２の（ａ−１）では必要な１次電子ビーム２の広がりが得られた距離に電子レンズ３（集束レンズ）を置き中心軸と平行な１次電子ビーム２を形成している。ビーム絞り４は、１次電子ビーム２の広がる範囲内ならば、図２の（ａ−２）に示すような、いろいろな配置が可能である。

図２の（ａ−２）において、（ａ−２−１）は図２の（ａ−１）のビーム絞り３に、中心と、その外の両側に直線状に２つ、合計５つの孔を設け、５つの１次電子ビーム５を生成する例を示す。

図２の（ａ−２）において、（ａ−２−２）は図２の（ａ−１）のビーム絞り３に、４つの孔を図示のように設け、４つの１次電子ビーム５を生成する例を示す。

図２の（ａ−２）において、（ａ−２−３）は図２の（ａ−１）のビーム絞り３に、ジグザグに５つの孔を図示のように設け、５つの１次電子ビーム５を生成する例を示す。この場合には、左右方向に偏向器１３で微小対物レンズ１０で絞った１次電子ビーム５を走査し、上下方向にステージ２２で一定方向に走査することにより、試料２１上を平面走査して２次電子画像を取得することが可能となる。

また、図２の（ｂ）は、電子源１から複数の１次電子ビーム２を放射する例を示す。電子源１の電子放出部分を複数設け、これらからそれぞれ１次電子ビーム２を図示のように放射することにより３つの１次電子ビーム２を放射し、必要に応じて更にビーム絞り４で必要な開角に制限して１次電子ビーム５を生成することが可能となる。

（２）ステップ２（複数の１次電子ビーム５を並列に微小対物レンズ１０に導き、試料２１上に収束する。）：図１、図３を用いて詳細に説明する。

図３は、本発明の詳細構造図を示す。

図３の（ａ）は１つのＭＣＰ１１２，微小対物レンズ１０を設けた例を模式的に示し、図３の（ｂ）は３つのＭＣＰ１１２，微小対物レンズ１０の組を設けた例を模式的に示し、図３の（ｃ）は２つのシンチレータ１１３，微小対物レンズ１０を設けた例を模式的に示す。

図１、および図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、電子源１、電子レンズ（集束レンズ）３、およびビーム絞り４で形成された複数の１次電子ビーム５は、適切に設置された図示外のアライメントコイルにより相互の間隔を調整する。例えば既述した図２の（ａ−２−１）に示したビーム絞り４の５つの孔で形成された５本の電子ビームは、図示外の２段のアライメントコイルにより、間隔の拡がった５本の平行ビームとすることができる。さらに、間隔を広げられた各１次電子ビーム５に、各々アライメントコイルを設け、１次電子ビーム５毎にその方向を微調整する。これにより各微小対物レンズ１０の孔の光軸に入射した各１次電子ビーム５は、微小対物レンズ１０の作用（円筒対物レンズの作用）により、試料２１上にスポットに収束される。各微小対物レンズ１０の磁極孔付近に静電レンズ（静電電極）あるいは磁場レンズ（コイルのみ）を組みこむことが可能で、これにより、各１次電子ビームのフォーカスを微調整することができる。同様に、非点補正コイルを微小対物レンズ１０にそれぞれ設けて、非点をそれぞれ補正することができる。

（３）ステップ３（複数の１次電子ビーム５を試料２１上の一定面積にわたって走査する。）：図１を用いて詳細に説明する。

図１において、微小対物レンズ１０の磁場により試料２１に収束される１次電子ビーム５は、例えば各微小対物レンズ１０の磁極孔付近に設けられた偏向器（走査）１３により、試料２１上に走査される。偏向器（走査）１３は、例えば、静電８極子で構成し、非点補正子を兼ねる。また、２段の走査偏向器１３を微小対物レンズ１０の磁極より電子源１の側に設置し、試料２１上を走査するようにしてもよい。

（４）ステップ４（試料面で発生した二次電子を収束して個別の検出器に導き検出する）：図１を用いて詳細に説明する。

図１において、試料２１上で発生した２次電子１２は各微小対物レンズ１０の強い垂直磁場の中にあるので、小さな半径のサイクロトロン運動しつつ、発生時の初期速度（あるいは検出器１１に正電圧を印加したときは対応する吸引力に相当する速度）によって図１（ここでは３本の１次電子ビーム５の例）の検出器１１の方向に走行する。このとき試料２１の付近の磁場を１０００Gauss、２次電子１２のエネルギーを１０eVとすると、２次電子１２のサイクロトロン半径は約０．１ｍｍである（式１参照）。大部分の２次電子１２のエネルギーは１０eV以下であり、エネルギー（言い換えれば速度）が小さいほど同半径は小さくなるから２次電子１２の軌道の横方向への広がりは微小対物レンズ１０のレンズ場を通り過ぎるまでは発生点を中心とした半径０．１mm以内にとどまるとしてよい。２次電子１２が検出器１１に近づくに従い、レンズ磁場は弱まり軌道半径が大きくなるが、検出器１１を微小対物レンズ１０に近づけておけば、図示したように検出器１１の検出面（たとえば直径２０mm）内にはいると考えてよい。また１次電子ビーム５の走査範囲は最大でも直径１mm程度あれば実用的に十分である。したがって隣り合う１次電子ビームの走査で発生した２次電子１２が隣の検出器１１で検出されることはない。

尚、磁束密度Ｂ、電子のエネルギーＥとするとサイクロトロン半径Ｒは次式で求められる。

Ｒ＝（１／Ｂ）（（２ｍＶ）／ｅ）^1/2 ・・・・（式１）
ここで、ｍ．Ｖ，ｅはそれぞれ電子の質量、電子のエネルギー（加速電圧表示）、電子の電荷である。

（５）ステップ５（検出した２次電子信号を増幅し、蓄積して画像表示（あるいは画像情報として保存）する。）：図１を用いて詳細に説明する。

図１において、図示の３つの微小対物レンズ１０、偏向器１３、検出器１１の組で同時に各偏向器１３で試料上の１次電子ビーム５のスポットを走査、例えば左右方向に走査しつつステージ２２を前後方向のいずれかの方向に一定速度で走査して面走査することにより、３組分の幅でステージ２２により一定方向に走査することを繰り返して試料２１の全面を平面走査することが可能となる。そして、３組の検出器１１でそれぞれ検出した２次電子画像信号を合成することで、３つ分の幅の画像、更に繰り返して試料２１の全面の画像をメモリに保存および表示装置上に表示することが可能となる。これにより、図１の例では、３並列に２次電子画像を同時並列に保存でき、１つの対物レンズを用いた場合に比し、３つの微小対物レンズ１０を用いて３倍の速度で２次電子画像を生成して保存することが可能となる。

以下図２から図４について個別に詳細に説明する。

図２は、本発明の１次電子ビームの説明図を示す。

図２の（ａ）は、１つの１次電子ビームを、複数の１次電子ビームに分割する例を示す。

図２の（ａ−１）は全体構造図を模式的に示す。

図２の（ａ−１）において、電子源１は、１つの１次電子ビームを発生する電子源（電子銃）であって、例えばショトキー型の電子源（電子銃）である。

１次電子ビーム２は、電子源１から放出された１次電子ビームである。

電子レンズ３は、電子源１から放出された１次電子ビーム２を収束してビーム絞り４上の所定領域を照射するように収束するものであって、静電収束レンズ、電磁収束レンズである。

ビーム絞り４は、１つの１次電子ビーム２から複数の１次電子ビーム５を分割（生成）するものであって、複数の孔（図Ｌ２の（ａ−２）参照）を設けたものである。

動作を説明する。

電子源１から所定開き角度を持った１次電子ビーム２を放射する。放射した１次電子ビーム２を電子レンズ３で収束してビーム絞り４上で所定の領域を照射するように調整する。ビーム絞り４上の複数の穴をそれぞれ通過した１次電子ビーム５を生成する。そして、既述したように、これら生成（分割）した複数の１次電子ビーム５を、必要に応じて図示外の２段アライメントによりその間隔、場所を調整し、図１の微小対物レンズ１０の軸に入射する。これにより、複数の微小対物レンズ１０の軸にそれぞれ１次電子ビーム５を入射することが可能となる。

図２の（ａ−２）は、図２の（ａ−１）のビーム絞り４上の穴の数、場所の例を示す。

図２の（ａ−２−１）は、ビーム絞り４の中心と左右に２つの合計５つの孔を設けた例を示す。この場合には、上方から１次電子ビーム２を照射し、５つの孔を通過した５つの１次電子ビーム５に分割し、必要に応じて、図示外のアライメントコイルにより方向を調整して５つの微小対物レンズ１０の軸にそれぞれ入射する。

図２の（ａ−２−２）は、ビーム絞り４に４つの孔を対称位置に設けた例を示す。この場合には、上方から１次電子ビーム２を照射し、４つの孔を通過した４つの１次電子ビーム５に分割し、必要に応じて、図示外のアライメントコイルにより方向を調整して４つの微小対物レンズ１０の軸にそれぞれ入射する。

図２の（ａ−２−３）は、ビーム絞り４にジグザグに５つの孔を設けた例を示す。この場合には、上方から１次電子ビーム２を照射し、ジグザグの５つの孔を通過した５つの１次電子ビーム５に分割し、必要に応じて、図示外のアライメントコイルにより方向を調整してジグザグに配置した５つの微小対物レンズ１０の軸にそれぞれ入射する。そして、１次電子ビーム５を偏向器１３により左右方向に走査しつつステージ２２を前後方向の一定方向に走査することにより、５つ分の幅で試料２１上を１次電子ビーム５で走査することが可能となる。そして、５つ分の幅の２次電子画像を同時並列に生成して保存（表示）することにより、１つの微小対物レンズ１０の場合に比し、５倍の速度で２次電子画像を取得して保存することが可能となる。

図２の（ｂ）は、電子源１が複数の１次電子ビーム２を放射する例を示す。図示の例では、電子源１が３つの１次電子ビーム２を同時並列に放射する。放射された３つの１次電子ビーム２は、電子レンズ３でビーム絞り４の所定領域に照射し、孔を通過した１次電子ビーム５を生成する。生成した１次電子ビーム５は、３つの微小対物レンズ１０の軸に必要に応じて設けた図示外のアライメントコイルにより調整されて入射する。

図３は、本発明の詳細構造図を示す。

図３の（ａ）は、１つの微小対物レンズ１０、検出器１０などを設けた例であって、図１で示した複数の検出器のうちの１つを取り出したものを示す。ここで、上方から入射した１次電子ビーム５（図２のビーム絞り４の孔を通過した１次電子ビーム５）
は、検出器１１の中心に設けた孔を通過して微小対物レンズ１０の軸に入射して当該微小対物レンズ１０の磁場により収束されて試料２１上にフォーカスされる。試料２１に１次電子ビームが照射されたことにより放出された２次電子１２は、微小対物レンズ１０の磁場により軸上を回転しながら検出器１１の方に向かう。検出器１１に到着した２次電子１２（あるいは検出器１１に印加された正電圧により吸引された２次電子１２）は当該検出器１１により検出・増幅、即ち、ＭＣＰ(Micro-Channel-Plate)１１２で２次電子が検出・増倍され、コレクタ電極１１１に到達し、増幅された２次電子信号を生成する。

図３の（ｂ）は、３つの微小対物レンズ１０、検出器１０などの組を設けた例を示す。図３の（ａ）の１つの場合と同様に、各組でそれぞれ独立に２次電子信号が生成される。

尚、ＭＣＰなど２次元型検出器を利用すれば１個の検出器１１ですみコンパクト化できる。ＭＣＰは直径１０μm程度の各チャネルが独立に２次電子を増幅するから、入射側の電子強度分布と出力側の分布が相似する。したがって入射側に分離して入射した２次電子は、出力側の個別のコレクタ電極によって分離して増幅出力される。ただし試料２１を照射する１次電子ビーム５が通過するための貫通孔を空ける必要がある。こうすることにより隣接する１次電子ビーム５の間隔を狭くすることが可能になる。

図３の（ｃ）は、２つの微小対物レンズ１０、検出器１１などの組を設けた例を示す。図３の（ｃ）では、検出器１１として、シンチレータ１１３、ライトガイド１１４、フォトマル１１５を用いている他は図３の（ｂ）、（ａ）と同じである。上方から入射した１次電子ビーム５は、検出器１１（シンチレータ１１３）の中心に設けた孔を通過して微小対物レンズ１０の軸に入射して当該微小対物レンズ１０の磁場により収束されて試料２１上にフォーカスされる。試料２１に１次電子ビームが照射されたことにより放出された２次電子１２は、微小対物レンズ１０の磁場により軸上を回転しながら検出器１１の方に向かう。検出器１１（シンチレータ１１３）に到着した２次電子１２（あるいは検出器１１に印加された正電圧により吸引された２次電子１２）は当該検出器１１により検出・増幅、即ち、シンチレータ１１３に２次電子が衝突して光を発生し、当該発生した光がライトガイド１１４を経由してフォトマル１１５の受光面を照射し、当該照射により光電子が放出され、更に倍増されて２次電子信号を生成する。本例では、検出器１１として、シンチレータ１１３、ライトガイド１１４を用いて２次電子を光に変換して当該光を外部に導き、フォトマル１１５により光ー電子変換して増幅しているため、２次電子１２を検出する先頭部分を小さくでき、大きいフォトマル１１５を外部に設けることが可能となる。

図４は、本発明の走査説明図を示す。図４は、ステージ上の試料２１を上から見た図であって、１つの微小対物レンズ１０を用いて走査する様子（図３の（ａ）参照）を示す。

図４において、試料２１は、図１の試料であって、ステージ２２の上の搭載された試料である。

１次電子ビーム走査範囲は、試料２１上を１次電子ビーム５で走査、ここでは、上下方向に走査する様子を示す。

ステージ走査範囲は、ステージ移動により試料２１を走査、ここでは、右方向に一定に走査し、次に左方向に一定に走査するように、繰り返す様子を示す。

以上のように、１次電子ビーム走査範囲に示すように、１つの微小対物レンズ１０で絞った１次電子ビーム５を試料２１上で走査（上下方向に走査）しつつ、ステージ走査範囲に示すように、ステージ２２により左右方向のうちの右方向（あるいは左方向）に一定に試料２１を走査（移動）することにより、上下方向に１次電子ビーム走査範囲の幅で、横方向にステージの移動によるステージ走査範囲（試料２１の横方向の全範囲）を走査することを繰り返し、試料２１の全面を平面走査することが可能となる。

尚、図４は、１つの微小対物レンズ１０を用いたが、複数の微小対物レンズ１０を用いる場合、例えば図２の（ａ−２−１）の５つの１次電子ビーム５を６つの微小対物レンズ１０を用いて同時並列に走査する場合には、図４の６倍の速度で試料２１上を走査することが可能となる。

図５は、本発明のアライメント説明図を示す。

図５において、上方から下方に向かって、ここでは、３本の１次電子ビーム５（図１、図２でビーム絞り５で分割された３本の１次電子ビーム５）が、静電型のアライメント１、アライメント２の２段偏向器により３つの微小対物レンズ１０の軸にそれぞれ入射するように場所、角度が図示のように調整される。これにより、３本の１次電子ビーム５は、任意の間隔でよく、２段のアライメント１，２により２段偏向（Ｘ，Ｙの両方向）において、微小対物レンズ１０の軸上に入射するように調整されることとなる。

図６は、本発明の微小対物レンズ例を示す。ここでは、微小対物レンズ１０は、図１の対物レンズ６の内部磁極（上極８）の中心軸と、その両側に当該微小対物レンズ１０のＯＬ磁極孔を設けてそれぞれ形成している。

図６において、ＯＬ中心軸は、内側磁極（上極８）の中心を示す。上極８には、３つの磁極孔が形成され、これにより３つの微小対物レンズ１０が形成される。ＯＬ中心軸を含む磁極孔は、通常の磁界型レンズのように、上極８の中央に形成されている。ＯＬ中心軸から距離ｒの位置に形成された両側の磁極孔は、上極８の中央になく偏心している。図に示したように、上極８の半径をＲとし、偏心度Ｅ＝ｒ／Ｒとする。例として、r＝１０ｍｍとして、Ｒに対する偏心度を図７の（ａ）に示す。上述の上極８の中心軸を含む磁極孔では（ｒ＝０、即ちＥ＝０）、磁極の非対称性に伴って生ずる非点収差は小さく抑えることができるが、ｒ＝１０ｍｍの位置に形成された磁極孔では、比較的大きな非点収差が生ずる。しかし、上極８（内側磁極）の径を大きくし、例えばＲ＝１００ｍｍとすれば、偏心度は、Ｅ＝０．１と小さくなり、磁極の非対称性から生ずる非点収差は小さく抑えることができる。さらに、生じた非点収差は、磁極毎に設けられた非点補正器により、補正することが可能である。

上極８（内側磁極）の半径Ｒを大きくすれば、偏心度Ｅが小さくなり、非対称性に伴う非点収差を小さくできるが、対物レンズのフォーカス電流が大きくなる問題を生ずる。図７の（ｂ）に、Ｒをパラメーターとして、上極８（磁極面）と試料２１との距離（ＷＤ）に対する対物レンズのフォーカス起磁力（Ｊ／√Ｖ）の例を示す。また、図７の（ｃ）に球面収差係数Ｃｓを、また図８の（ｄ）に色収差係数Ｃｃを示す。この例では、磁極孔（微小対物レンズ１０）の径は４ｍｍとした。Ｒを大きく、例えば８０ｍｍとすると、ＷＤ５ｍｍでは、大きなフォーカス起磁力が必要であるが、ＷＤ２０ｍｍ前後であれば、比較的に小さい起磁力でよく、十分実現可能である。

図７の（ｃ）より、ＷＤ＝２０ｍｍでは、Ｊ／√Ｖ＝５７（ＡＴ／Ｖ^1/2)、Ｃｓ＝２５ｍｍ、Ｃｃ＝１１ｍｍである。これから、プローブ電流１ｎＡの場合、加速電圧１．５ＫＶにおけるプローブ径は１８ｎｍ、また、加速電圧３ＫＶにおけるプローブ径は１１ｎｍと見積もられる。更に、ＷＤ＝１０ｍｍでは、Ｊ／√Ｖ＝１１４（ＡＴ／Ｖ^1/2)、Ｃｓ＝１５ｍｍ，Ｃｃ＝７．７ｍｍである。これから、プローブ電流１ｎＡの場合、加速電圧１，５ＫＶにおけるプローブ径は１３ｎｍ、また、加速電圧３ＫＶにおけるプローブ径は７．７ｎｍと見積もられる。

３本の１次電子ビーム５は、対物レンズのコイル７に流れる電流により、試料２１の面に収束されるが、３つの微小対物レンズ１０において試料２１面に収束する起磁力は多少異なる。このため、図９の（ａ）に示すように、微小対物レンズ１０の各磁極孔にフォーカスコイル１３１を設けることにより、各微小対物レンズ１０にて同時にフォーカスさせることができる。このフォーカスコイル１３１は、静電レンズで構成してもよい。

各１次電子ビーム５は、図９の（ａ）に示すように、静電８極子からなる走査偏向器１３２により試料２１の面上を走査される。走査偏向器１３２は、磁場型で構成してもよい。

上述したように、Ｒを大きくするとフォーカス起磁力が大きくなるため、あまりＷＤを小さくできない。しかし、微小対物レンズ１０の各磁極部に図９の（ｂ）に示すように、凸状の磁極を設ければ、フォーカス起磁力の増大を抑えながら、各微小対物レンズ１０のＷＤを小さくして、より小さなＣｓ，Ｃｃを得ることにより、分解能を向上させることも可能である。

図７および図８は、本発明の収差等の説明図を示す。

図７の（ａ）は、偏心度を示す。横軸は既述した図６の上極８上のＯＬ中心軸からの半径方向の距離Ｒｍｍであり、縦軸はそのときの偏心度である。

図７の（ｂ）は、フォーカス起磁力を示す。横軸は図６の上極８と試料２１との間の距離であるＷＤｍｍを示し、縦軸はそのときにフォーカスする起磁力Ｊ／√Ｕ（ＡＴ／√Ｖ）を示す。４本の曲線は、上から順に、Ｒ＝８０ｍｍ，４０ｍｍ，２０ｍｍ，１０ｍｍのときの起磁力をそれぞれ示す。

図７の（ｃ）は、Ｃｓ（球面収差係数）を示す。横軸は図６のＷＤｍｍを示し、縦軸はそのときのＣｓｍｍを示す。図中の曲線は、上から順に、Ｒ＝１０ｍｍ，２０ｍｍ，４０ｍｍ，８０ｍｍの曲線をそれぞれ示す。

図８の（ｄ）は、Ｃｃ（色収差係数）を示す。横軸は図６のＷＤｍｍを示し、縦軸はそのときのＣｃｍｍを示す。図中の曲線は、上から順に、Ｒ＝１０ｍｍ，２０ｍｍ，４０ｍｍ，８０ｍｍの曲線をそれぞれ示す。

図９は、本発明のフォーカスコイル／走査偏向器例を示す。

図９の（ａ）は、通常の例を示す。この例では、上極８の中心と距離ｒの位置に孔をそれぞれ設けた微小対物レンズ１０を３つ形成している。各微小対物レンズ１０の内側には、図示のフォーカスコイル１３１および走査偏向器１３２を設けている。これらにより、微小対物レンズ１０毎に１次電子ビーム５の試料２１面へのフォーカス、および走査（一定方向への走査、あるいはＸとＹとの両方向への走査）をそれぞれ独立に制御することが可能となる。フォーカスコイル１３１、走査偏向器１３２は、電磁レンズ／電磁偏向あるいは静電レンズ／静電偏向のいずれでもよい。

図９の（ｂ）は、凸状磁極を設けた例を示す。この例では、各微小対物レンズ１０の下方向に凸状磁極１３３を設けたため、フォーカス起磁力を小さくして各微小対物レンズ１０のＷＤをより小さくすることが可能となる。

本発明の１実施例構造図である。本発明の１次電子ビームの説明図である。本発明の詳細説明図である。本発明の走査説明図である。本発明のアライメント説明図である。本発明の微小対物レンズ例である。本発明の収差等の説明図である。本発明の収差等の説明図（続き）である。本発明のフォーカスコイル／走査偏向器例を示す。

１：電子源
２、５：１次電子ビーム
３：電子レンズ
４：ビーム絞り
６：対物レンズ
７：コイル
８：上極
９：下極
１０：微小対物レンズ
１１：検出器
１１１：コレクタ電極
１１２：ＭＣＰ
１１３：シンチレータ
１１４：ライトガイド
１１５：フォトマル
１２：２次電子
１３：偏向器
１３１：フォーカスコイル
１３２：走査偏向器
１３３：凸状磁極
１４：収束磁場
２１：試料
２２：ステージ
３１：電子源電源
３２：レンズ電源／アライメント電源
３３：検出信号増幅器
３４：ビーム偏向電源
３５：画像表示／画像保存装置
３６：対物レンズ電源／補正電源
３７：ステージ制御電源／補正電源

Claims

試料上を複数の１次電子ビームで走査してそれぞれの画像を取得する走査型電子顕微鏡において、
前記試料を搭載して平面内で当該試料を移動可能な移動機構と、
複数の１次電子ビームをそれぞれ細く絞って前記移動機構に搭載した試料上にそれぞれ独立に照射する複数の微小対物レンズと、
前記複数の微小対物レンズに対応付けて設け、それぞれ１次電子ビームを前記移動機構に搭載した試料上で走査するように偏向するそれぞれの偏向器と、
前記複数の微小対物レンズに対応付けて設け、それぞれの試料から放出された２次電子が当該微小対物レンズの磁場で軸上に収束されて１次電子ビームの試料上への照射方向と逆の軸上の方向に設けた、それぞれ独立に当該２次電子を検出・増倍するそれぞれの検出器と
を備え、
複数の電子ビームを試料上に独立に照射しつつ走査し、同時並列に放出された２次電子をそれぞれ独立に検出・増倍して複数の２次電子画像を同時並列に生成する走査型電子顕微鏡。
前記全ての偏向器が前記試料上を一定方向に１次電子ビームをそれぞれ走査すると共に、前記移動機構が当該走査方向と直角方向に前記試料を走査し、当該試料上を１次電子ビームで面走査することを特徴とする請求項１記載の走査型電子顕微鏡。
前記微小対物レンズは、１組のコイルで励磁される円筒型の対物レンズの内側の上極に、孔を開けて当該微小対物レンズをそれぞれ構成したことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の走査型電子顕微鏡。
前記円筒型の対物レンズの外側の下極は、開放、あるいは全面閉鎖して前記上極に平行な磁極板、としたことを特徴とする請求項３記載の走査型電子顕微鏡。
前記微小対物レンズに、前記偏向器、検出器をそれぞれ独立に設けると共に、更に、磁場非対称性成分および固有の収差の補正を行う非点補正器、焦点補正器の１つ以上をそれぞれ設けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡。
前記複数の１次電子ビームは、電子源から放出された１つの１次電子ビームを複数の微小孔を設けた絞り板を通過させて複数の１次電子ビームを形成したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡。
前記複数の１次電子ビームは、１つの電子銃内に設けた複数の電子源からそれぞれ放出された、複数の１次電子ビームであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡。
前記微小対物レンズの試料に面する側に中心に孔の開いた凸状磁極をそれぞれ設けて当該微小対物レンズに必要となる起磁力を低減したことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡。