JP2014053305A - 粒子ビームデバイス及び粒子ビームデバイスを操作する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小さなエネルギーを有する粒子を用いて良好な結像特性での物体の検査を可能にする。
【解決手段】本発明は、一次粒子ビームを発生させるビーム発生器（２）と、一次粒子ビームを物体面（１５）に集束させる対物レンズ（８）と、物体面（１５）が放出した粒子を検出する検出器（１７）とを備えた粒子ビームデバイス（１）及び粒子ビームデバイス（１）を操作する方法、特に電子ビームデバイスに関する。対物レンズ（８）は、少なくとも１つの磁気ユニット（１１、１２）を有し、磁気ユニット（１１、１２）は、少なくとも１つの第１クロスオーバー（Ｃ１、Ｃ１’）及び少なくとも１つの第２クロスオーバー（Ｃ２）を発生させる。第１クロスオーバー（Ｃ１、Ｃ１’）は、対物レンズ（８）に又は対物レンズ（８）と物体（１５）との間の領域に配置する。第２クロスオーバー（Ｃ２）は、物体（１５）に配置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一次粒子ビームを発生させるビーム発生器と、一次粒子ビームを物体面に（又は物体に）に集束させる対物レンズと、物体面が（又は物体が）が放出した粒子を検出する検出器とを備えた粒子ビームデバイス、特に電子ビームデバイスに関する。本発明はさらに、粒子ビームデバイスを操作する方法に関する。

電子ビームデバイス、特に走査型電子顕微鏡は、例えば物体（試料）の表面を検査するために用いられる。走査型電子顕微鏡では、電子を有する一次電子ビームをこの目的でビーム発生器を用いて発生させる。一次電子ビームは、対物レンズによって被検査物体に集束させる。偏向デバイスを用いて、一次電子ビームを被検査物体にわたってラスタス走査パターンで案内することも知られている。このプロセスにおいて、一次電子ビームの電子は物体と相互作用する。この相互作用の結果として、特に電子が物体から放出されるか（二次電子と称するもの）、又は一次電子ビームの電子が後方散乱する（後方散乱電子と称するもの）。後方散乱電子は、ここでは概して、５０ｅＶから物体における一次電子ビームの電子のエネルギーまでの範囲のエネルギーを有する。二次電子はさらに、概して、５０ｅＶ未満のエネルギーを有する。二次電子及び／又は後方散乱電子は、少なくとも１つの検出器を用いて検出される。検出器は、例えば対物レンズの内側又は対物レンズとビーム発生器との間の領域に配置する。二次電子及び／又は後方散乱電子が検出器に当たると、像の生成に用いられる検出器信号が発生する。

電子ビームデバイスを用いた物体の結像は、高空間分解能で達成することができる。高空間分解能は、一次電子ビームが物体の平面において非常に小さな直径を有することにより得られる。さらに、物体が電子ビームデバイスの対物レンズの近くに配置されるほど、空間分解能が向上する。さらに、電子ビームデバイスにおける一次電子ビームの電子が、対物レンズの終端又は対物レンズと物体との間の領域で最初に所望のエネルギー（検査エネルギー）に大きく加速及び減速されるほど、空間分解能が向上する。一次電子ビームの電子は、例えば２ｋＶ〜３０ｋＶの加速電圧で加速され、電子ビームデバイスの電子コラムを通して案内される。一次電子ビームの電子は、対物レンズと物体との間の領域でのみ所望のエネルギーに減速され、一次電子ビームの電子が、例えば１０ｅＶ〜３０ｋｅＶの範囲のエネルギーを有して物体に当たるようにする。

その構造に起因して、非常に低いエネルギー、例えば１００ｅＶ未満のエネルギーしか有さない一次電子ビームの電子を当てた場合にのみ、電子ビームデイバスにおいて有意義に検査できる物体がある。このように低いエネルギーを有する電子は、上記特定の物体が電子の照射中に破砕されないことを確実にする。このように低いエネルギーを有する電子はさらに、高い表面感度を有する（すなわち、物体の表面に関して特に良好な情報量を有する）被検査物体の像を生成するのに特に適している。さらに、このように低いエネルギーを有する電子は、物体において尖端（プローバと称するもの）を有して当該プローバを用いて電子測定を実行する測定デバイスを位置決めするのに適している。上述の低エネルギーよりも高いエネルギーを有する電子は、こうした電子測定値を改竄する可能性がある。したがって、このように低いエネルギーを有する一次電子ビームの電子の使用が上記物体の調査に有用である。

しかしながら、一次電子ビームの電子が当たることによって１００ｅＶ未満のエネルギーで物体が放出する二次電子が、一次電子ビームに用いる加速電圧及び電磁界パターンに起因して、又は一次電子ビームの電子に関する既存の磁界及び／又は電界に起因して、電子コラムへ偏向されることが判明した。したがって、上記二次電子の大部分は、電子コラムに配置した検出器で検出される場合にのみ結像に用いることができる。

こうした検出器は従来技術から既知である。当該既知の検出器は、環状に構成され、比較的大きな開口を有する。電子ビームデバイスの光軸は、開口を通って延びる。開口は、電子ビームデバイスのビーム経路内の一次電子ビームに影響を及ぼさないようにするために、また汚染の可能性を回避するために必要である。

例として、従来技術に関して特許文献１及び特許文献２を参照する。

しかしながら、低エネルギー（例えば１００ｅＶ未満）を有する一次電子ビームの電子を用いた検査において、すでに上述した電磁界パターンにより、大半の二次電子の経路が電子ビームデバイスの光軸の非常に近くを進み、二次電子及び一次電子ビームの電子のエネルギーが相互にわずかしかずれないことが判明した。したがって、二次電子が一次電子ビームの電子とほぼ同じエネルギーを有するので、二次電子は、電子ビームデバイスにおいて一次電子ビームの電子と同様の経路を進む。被検査物体の走査時に電子ビームデバイスの光軸からある程度離れている物体の場所から生じる二次電子も、光軸外で電子ビームデバイス内及び特に検出器の平面内を進む。これらは、電子ビームデバイスの検出器によって少なくとも部分的に検出される。しかしながら、光軸に近い物体の場所から生じる二次電子の大部分は、検出器によって検出されずに検出器の開口を通過する。これに対して、光軸から離れた場所から生じる二次電子は、検出器に入射する。検査対象物体の像が得られるが、中央では電子が検出されず、したがって像情報が入手不可能なので、像はこの場所に検出孔を事実上有する。

別の問題が従来技術からさらに既知である。約１ｍｍ〜２ｍｍという比較的小さな作動距離の場合、上記問題が非常に顕著であることが分かった。１ｋｅＶ未満（例えば１００ｅＶ）のエネルギーを有する一次電子ビームの電子を用いた検査は、既知の電子ビームデバイスを用いた短い作動距離の場合に不可能であるか、又は可能だが必ず困難を伴う。

さらに、１００ｅＶ未満のエネルギーを有する一次電子ビームの電子を用いた物体の検査が、用いるビーム発生器にも依存することが分かった。全てのビーム発生器がこうした検査を可能にするわけではない。例えば、一次電子ビームを発生させるショットキーエミッタを用いることが知られている。ショットキーエミッタでは、引出電極の引出電圧により電子がショットキーエミッタから引き出される。引出電圧は、通常は３ｋＶ〜５ｋＶである。考察により、一次電子ビームが電子ビームデバイスの電子コラムを通して案内される加速電圧を引出電圧より大きくすべきであるという結論になった。しかしながら、選択される加速電圧が大きいほど、一次電子ビームの電子が物体に当たる際に１００ｅＶ未満のエネルギーを有する場合に検出器に当たる二次電子が少なくなる。加速電圧が大きいほど、一次電子ビームの電子と二次電子との間の相対エネルギー差が小さくなる。二次電子は、一次電子ビームの電子と同じ光路に沿って基本的に進むので、検出器の開口を通過するということになる。検出孔の上述の問題は、高加速電圧の場合に非常に顕著である。さらに、最大作動距離が大幅に小さくなる。原理上の結果として、１００ｅＶ未満のエネルギーを有する一次電子ビームの電子を用いた物体の像は、４ｋＶよりも大きな加速電圧ではほぼ不可能である。しかしながら、４ｋＶよりも大きな引出電圧を必要とするビーム発生器が知られているので、加速電圧（accelerator voltage）がエミッタの引出電圧よりも大きいはずであるから、これは問題につながり得る。しかしながら、その場合、加速電圧も４ｋＶを超える。結果として、１００ｅＶ未満のエネルギーを有する一次電子ビームの電子を用いた物体の検査はほぼ不可能である。

独国特許出願公開第１９８ ２８４ ７６号明細書 独国特許出願公開第１０ ２００９ ０２８ ０１３号明細書

したがって、本発明は、物体の特に良好な結像を達成するように低エネルギーを有する粒子を用いて物体を検査できる、粒子ビームデバイス及び粒子ビームデバイスを操作する方法を特定するという目的に基づく。

上記目的は、請求項１の特徴を有する粒子ビームデバイスにより達成される。本発明による方法は、請求項１１の特徴により与えられる。本発明のさらに他の特徴は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、及び／又は添付図面から得ることができる。

本発明による粒子ビームデバイスは、一次粒子ビームを発生させる少なくとも１つのビーム発生器を備える。本発明による粒子ビームデバイスは、一次粒子ビームを物体の物体面に（又は物体に）集束させる少なくとも１つの対物レンズをさらに備える。さらに、本発明による粒子ビームデバイスには、少なくとも１つの検出器（以下で第１検出器と称する）を設け、第１検出器は、物体面が（又は物体が）放出した粒子を検出する役割を果たす。

対物レンズは、少なくとも１つの磁気ユニットを有する。磁気ユニットは、一次粒子ビームの少なくとも２つのクロスオーバーが対物レンズによって連続して順次発生するよう構成及び励起する。特に、少なくとも第１クロスオーバー及び少なくとも第２クロスオーバーを発生させるようにする。上記及び下記において、クロスオーバーは、粒子発生器が発生させた粒子が収束する点又は領域を意味すると理解される。換言すれば、粒子がこの点又はこの領域で交わる。したがって、さらに換言すれば、クロスオーバーは、ビーム発生器から出た一次粒子ビームの寸法が一次粒子ビームの伝播方向に対して垂直な方向で極小を有する領域又は平面を意味すると理解される。伝播方向に対して垂直な一次粒子ビームが略ガウス分布を有する場合、伝播方向に沿ったクロスオーバーは、ガウスベル曲線が最小幅を有する領域である。したがって、ベル曲線の幅はいずれの場合も、ビーム方向（伝播方向）に見てクロスオーバーでよりもクロスオーバーの前後の方が広い。一次粒子ビームの非点集束（astigmatic focusing）では、クロスオーバーは、一次粒子ビームが一次粒子ビームの伝播方向に対して垂直に最小寸法で回転対称強度分布を有する２つの線状焦点間の平面を意味すると通常は理解される。

付加的又は代替的に、本発明の例示的な一実施形態では、第１クロスオーバーを対物レンズに又は対物レンズと物体面（又は物体）との間の領域に配置する。ここではさらに、第２クロスオーバーを物体面（又は物体）に配置する。換言すれば、第２クロスオーバーを、物体の表面上又は物体の表面付近の領域に（例えば、物体の表面から１μｍ〜１０００μｍの距離に）配置する。特に、第２クロスオーバーは、このタイプの結像では数ミリメートルであり得る被写界深度範囲内に配置することができる。このタイプの結像での第２クロスオーバーの位置は、さらに、最大２０ｍｍ程度の著しく大きな作動距離を有し得る。これは、より詳細に後述する。

本発明は、対物レンズの磁気ユニットを非常に強く励起できるので、単一のクロスオーバーが発生するだけでなく複数のクロスオーバー、例えば前述の第１クロスオーバー及び前述の第２クロスオーバーが発生するという驚くべき発見から生まれたものである。本発明は、物体に配置されるのが第１クロスオーバーではなく第２クロスオーバーであるという発見に特に基づく。結果として、一次粒子ビームの粒子は、クロスオーバー（第１クロスオーバー）にすでに収束した後に、物体の表面上のさらなるクロスオーバー（第２クロスオーバー）に収束する。対物レンズの磁気ユニットの前述の動作様式により、物体が放出する粒子の軌道が一次粒子ビームの一次粒子の軌道とは明らかに異なるほど強い収差が発生することが、驚くべきことに判明した。二次粒子のかなりの部分が、例えば粒子ビームコラムに配置した検出器に当たることが分かった。したがって、低エネルギー（例えば１００ｅＶ未満）を有する一次粒子を物体の検査に用いた、物体の著しく良好な像を得ることが可能である。検出孔の上述の問題は、本発明にはもはや存在しないか又は存在してもごく軽度なので、依然として十分な像情報が入手可能であり、物体の良好な像を達成可能である。

本発明の別の利点は、一次粒子が物体に当たる際のエネルギーが小さくても、大きな作動距離（例えば最大１０ｍｍ）での物体の検査が可能となったことである。大きな作動距離により、多数の検査法又は検査デバイスを用いることができる。例えば、対物レンズと物体との間に、十分に良好な検出信号を供給するさらに別の検出器を配置することが可能である。付加的及び／又は代替的に、対物レンズと物体との間に、例えばガス供給デバイス、マイクロマニピュレータ、及び／又はプローバを配置するようにすることができる。

さらに、本発明による粒子ビームデバイスは、検出孔が生じるという上述の問題を伴わずに、約１ｍｍ〜２ｍｍという比較的小さな作動距離での物体の検査を可能にする。十分に良好な検出信号により、良好な信号対雑音比がさらに得られることで、物体の像のコントラストが良好になる。

本発明による粒子ビームデバイスの一実施形態では、粒子ビームデバイスの第１動作モードと粒子ビームデバイスの第２動作モードとの間での切り替えが付加的又は代替的に可能である。第１動作モードでは、第１クロスオーバー及び第２クロスオーバーが対物レンズと物体との間の領域に発生し、第１クロスオーバーが対物レンズと物体との間の領域に配置される。第２クロスオーバーは、上記ですでにさらに説明したように、物体に配置される。第２動作モードでは、単一のクロスオーバーのみが対物レンズと物体との間の領域に発生して物体上に配置される。結果として、本発明による粒子ビームデバイスには、２つの前述の動作モードで達成可能な利点がある。第１動作モードでは、小さな作動距離での相互作用粒子の良好な検出と、例えば１００ｅＶ未満の一次粒子の低エネルギーでの大きな作動距離の使用とが達成可能である。第２動作モードでは、相互作用粒子を用いて生成した物体の像の非常に高い分解能を達成することが可能である。

対物レンズと物体との間の領域における少なくとも２つのクロスオーバーにより、高い誤差係数が対物レンズで生じ、これは粒子ビームデバイスを用いて生成した物体の像の分解能を低下させ得る。ビーム発生器と対物レンズとの間の粒子ビームデバイスのビーム経路に、例えば対物レンズの色収差及び球面収差を補正するために補正器を導入することにより、これらの色収差及び球面収差を補正し、したがって粒子ビームデバイスの所望の高分解能を達成することが例えば可能である。結像収差を補正する装置は、例えば独国特許出願公開第１０ ２００７ ０４９ ８１６号明細書又は独国特許出願公開第１０１ ０７ ９１０号明細書から既知である。これらの公報に記載の装置は、本発明による粒子ビームデバイスで具現することができる。

別の利点は、本発明に基づいて、用いるビーム発生器とは特に関係なく、一次粒子ビームを粒子ビームデバイスの粒子ビームコラムを通して案内する際の、４ｋＶよりも大きな加速電圧を容易に実現できることである。

本発明による粒子ビームデバイスは、任意のビーム発生器の使用も可能にする。これは、本発明による粒子ビームデバイスが、ビーム発生器の動作電圧とは関係なく検出孔の上述の問題が生じなくなることを確実にするからである。

本発明による粒子ビームデバイスの例示的な一実施形態では、付加的又は代替的に、粒子ビームデバイスは、一次粒子ビームを整形する少なくとも１つのコンデンサユニット（例えば第１コンデンサユニット）を備える。第１コンデンサユニットは、例えばビーム発生器と対物レンズとの間に配置する。さらに、さらに別の例示的な実施形態では、付加的又は代替的に、さらに別のコンデンサユニット（例えば第２コンデンサユニット）を粒子ビームデバイスにおいて一次粒子ビームを整形するよう配置する。上記第２コンデンサユニットは、例えばビーム発生器と対物レンズとの間に配置する。２つのコンデンサユニットを用いる場合、物体の方向に見てビーム発生器から最初に第１コンデンサユニット、次に第２コンデンサユニット、次に対物レンズを、粒子ビームデバイスの光軸に沿って配置する。磁気ユニットを有する対物レンズと第１コンデンサユニット及び／又は第２コンデンサユニットとはいずれも、物体に対する一次粒子ビームを整形する役割を果たす。

本発明による粒子ビームデバイスのさらに別の例示的な実施形態では付加的又は代替的に、対物レンズが少なくとも１つの静電ユニットを備える。静電ユニットは、磁気ユニと共に、一次粒子ビームを物体に集束させることに寄与するか、又は一次粒子ビームを物体に集束させる。

本発明による粒子ビームデバイスのさらに別の例示的な実施形態では、付加的又は代替的に、粒子ビームデバイスが、一次粒子ビームの粒子を第１所定エネルギーに加速させて加速後に所定エネルギーを維持する少なくとも１つのエネルギー制御ユニットを備える。例えば、第１所定エネルギーを有する一次粒子ビームの粒子を粒子ビームデバイスのビームコラムを通して案内するようになっている。一次粒子ビームの粒子は、物体に到達する直前に、粒子エネルギー制御ユニットによって第２所定エネルギーに、例えば収束作用も有し得る静電ユニットによって減速される。上記粒子は、続いて物体へ案内される。粒子エネルギー制御ユニットの所定の機能及び作用により、一次粒子ビームの高輝度が一次粒子ビームの粒子でも維持され、その第２所定エネルギーは１００ｅＶ未満であるが、これは、第２所定エネルギーへの一次粒子ビームの減速が物体への到達直前に行われるからである。第２所定エネルギーへの減速は、ここでは対物レンズにおいて、又は対物レンズと物体との間の領域において生じる。

本発明による粒子ビームデバイスの一実施形態では、付加的又は代替的に、第１検出器を粒子ビームデバイスのビームコラムに配置する。本発明による粒子ビームデバイスの例示的な一実施形態では、さらに付加的又は代替的に、粒子ビームデバイスが、物体で後方散乱した粒子、例えば後方散乱電子を検出する少なくとも第２検出器をさらに備える。当該第２検出器も、例えばビームコラムに配置する。

本発明による粒子ビームデバイスのさらに別の例示的な実施形態では、付加的又は代替的に、粒子ビームデバイスを電子ビームデバイスとして構成する。電子ビームデバイスは、例えば走査型電子顕微鏡として構成する。その場合のビーム発生器は、電子を有する一次電子ビームを発生させる役割を果たす。対物レンズは、一次電子ビームを物体面に（又は物体に）集束させる役割を果たす。第１検出器は、例えば、物体面が（又は物体が）放出した電子（二次電子）を検出する役割を果たす。

代替的には、粒子ビームデバイスをイオンビームデバイスとして構成する。この場合、ビーム発生器は、イオンを有する一次イオンビームを発生させるよう構成する。さらに、対物レンズは、一次イオンビームを物体面に（又は物体に）集束させるよう構成する。第１検出器は、物体面が（又は物体が）放出した粒子、例えば電子を検出する役割を果たす。

本発明は、粒子ビームデバイス、例えば上述の特徴の少なくとも１つ又は上述の特徴の少なくとも２つの組み合わせを有する粒子ビームデバイスを操作する方法にも関する。例えば、粒子ビームデバイスは、一次粒子ビームを発生させる少なくとも１つのビーム発生器と、一次粒子ビームを集束させる少なくとも１つの対物レンズとを備える。本発明による方法では、対物レンズを、少なくとも２つのクロスオーバー、例えば第１クロスオーバー及び第２クロスオーバーを一次粒子ビームの伝播方向に連続して順次発生させるよう励起する。

本発明による方法の例示的な一実施形態では、付加的又は代替的に、物体の表面の像を生成するために、一次粒子ビームと物体との相互作用により発生する相互作用粒子を、ビーム発生器と対物レンズとの間に配置した少なくとも１つの検出器を用いて検出する。例として、相互作用粒子は、二次粒子（特に二次電子）及び／又は物体で後方散乱した粒子（特に後方散乱電子）である。

本発明による方法のさらにさらなる例示的な一実施形態では、付加的又は代替的に、一次粒子ビームの一次粒子が、物体面（又は物体）に当たる際に１ｋｅＶ未満のエネルギーを有する。一次粒子ビームの一次粒子は、例えば、物体面（又は物体）に当たる際に１００ｅＶ未満のエネルギーを有する。

例示的な実施形態を参照して本発明を以下でより詳細に説明する。

走査型電子顕微鏡の例示的案第１実施形態を示す。 走査型電子顕微鏡の例示的な第２実施形態を示す。 走査型電子顕微鏡の例示的な第３実施形態を示す。 走査型電子顕微鏡の例示的な第４実施形態を示す。

走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の形態の粒子ビームデバイスを用いて、本発明をより詳細に説明する。しかしながら、本発明がＳＥＭに限定されないことに特に留意されたい。正しくは、本発明は、任意の粒子ビームデバイス、特にイオンビームデバイス又は特に電界イオン顕微鏡で実現することができる。

図１は、ＳＥＭ１の例示的な第１実施形態の概略図を示す。ＳＥＭ１は、電子源２（陰極）の形態のビーム発生器と、引出電極３と、ＳＥＭ１のビーム案内管５の一端の上に置いた陽極４とを備える。電子源２は、例えば熱電界エミッタとして構成する。しかしながら、本発明はこのような電子源に限定されない。正確には、いかなる電子源を用いてもよい。

電子源２から出た電子は、一次電子ビームを形成する。電子は、電子源２と陽極４との間の電位差に起因して陽極電位に加速される。ここに示す例示的な実施形態の陽極電位は、試料チャンバ（図示せず）のハウジングの大地電位に対して１ｋＶ〜２０ｋＶ、例えば５ｋＶ〜１５ｋＶ、特に８ｋＶであり、代替的には大地電位とすることもできる。

２つのコンデンサレンズ、具体的には第１コンデンサレンズ６及び第２コンデンサレンズ７を、ビーム案内管５に配置する。対物レンズ８の方向に電子源２から始めて、最初に第１コンデンサレンズ６、次に第２コンデンサレンズ７を配置する。

第１開口ユニット９を、陽極４と第１コンデンサレンズ６との間に配置する。第１開口ユニット９は、陽極４及びビーム案内管５と共に、高圧電位、具体的には陽極４の電位又は代替的に大地遠位である。第１コンデンサレンズ６と第２コンデンサレンズ７との間には、空間的に固定された第２開口ユニット１０を配置する。

対物レンズ８は、孔を形成した対物レンズ磁極片１１を有する。ビーム案内管５をこの孔に通す。さらに、コイル１２を磁極片１１内に配置する。対物レンズ磁極片１１及びコイル１２は、対物レンズ８の磁気ユニットを形成する。

静電遅延デバイスを、ビーム案内管５の下流に接続する。当該遅延デバイスは、個別電極１３及び管電極１４を有し、管電極１４は、ビーム案内管５のうち試料１５に面する端に形成する。個別電極１３は、図示の実施形態では、対物レンズ磁極片１１に対して電気的に絶縁され、さらに対物レンズ磁極片１１に機械的に接続される。別の実施形態では、代替的に、個別電極１３を対物レンズ磁極片１１の内側に、但し試料１５の方向に見て管電極１４から延びる第１領域に配置する。代替的に、個別電極１３は、試料１５の方向に見て対物レンズ磁極片１１から延びる第２領域に、また電子源２の方向に見て試料１５から延びる第２領域に配置する。これは、個別電極１３を管電極１４と試料１５との間の領域の任意の所望の位置に配置できることを意味する。

したがって、管電極１４は、ビーム案内管５と共に、陽極４の電位にあるが、個別電極１３及び試料１５は、陽極４の電位に対して低い電位にある。この場合、これは、試料チャンバ（図示せず）のハウジングの大地電位である。このように、一次電子ビームの電子を、試料１５の検査に必要な所望のエネルギーに減速させることができる。例として、一次電子ビームの電子は、１ｋｅＶ未満、特に１００ｅＶ未満に減速される。このエネルギーを、試験エネルギー又はランディングエネルギーとも称する。

ＳＥＭ１は、一次電子ビームを偏向させ試料１５にわたって走査することができる走査ユニット１６をさらに備える。一次電子ビームの電子は、ここでは試料１５と相互作用する。相互作用の結果として、相互作用粒子及び／又は相互作用放射線が発生して検出される。このようにして得られた検出信号が評価される。

相互作用粒子は、特に試料１５の表面から放出された電子（二次電子と称するもの）であるか、又は後方散乱した一次電子ビームの電子（後方散乱電子と称するもの）である。二次電子及び／又は後方散乱電子の検出のために、第１検出器１７及び第２検出器１８を有する検出器機構をビーム案内管５内に配置する。第１検出器１７は、この場合は光軸ＯＡに沿って試料の側に配置し、第２検出器１８は、ビーム案内管５の光軸ＯＡに沿った電子源側に配置する。さらに、第１検出器１７及び第２検出器１８は、ＳＥＭ１の光軸ＯＡの方向に相互に離間して配置する。第１検出器１７及び第２検出器１８の両方が、概ね陽極４の電位に、したがって同じくビーム案内管５の電位にある。

第１検出器１７は第１貫通開口１９を有する。さらに、第２検出器１８は第２貫通開口２０を有する。ＳＥＭ１の光軸ＯＡは、第１貫通開口１９及び第２貫通開口２０の両方を貫通する。一次電子ビームは、その結果、第２貫通開口２０及び第１貫通開口１９を通って進み、続いて試料１５へ案内される。第１検出器１７の第１貫通開口１９及び第２検出器１８の第２貫通開口２０は、最大長が０．５ｍｍ〜５ｍｍの範囲である。これらは、例えば円形の構成であり、０．５ｍｍ〜３ｍｍの範囲の直径を有する。

ここに示す例示的な実施形態の第１開口ユニット９は、ピンホール開口の形態であり、一次電子ビームの貫通用の開口を有し、この開口は、１０μｍ〜５００μｍの範囲の、例えば５０μｍの大きさを有する。

第２開口ユニット１０は、ここに示す例示的な実施形態では、ピンホール開口として構成され、一次電子ビームの貫通用の開口を有し、この開口は、５μｍ〜３００μｍの範囲の、例えば３５μｍの大きさを有する。第２開口ユニット１０は、圧力段開口として構成する。これは、電子源２を配置し超高真空が生じている（１０^−６Ｐａ〜１０^−１０Ｐａ）第１領域を、高真空（１０^−１Ｐａ〜１０^−５Ｐａ）を有する第２領域から分離する。第２領域は、試料チャンバ（図示せず）に通じるビーム案内管５の中間圧力領域である。第２開口ユニット１０により、第２領域からの汚染に起因した、例えば試料１５の領域のガスの導入に起因した第１領域の超高真空の悪化が回避される。

一次電子ビームのビームプロファイルにさらに影響を及ぼすために、第１偏向ユニット２１、第２偏向ユニット２２、及び第３偏向ユニット２３をビーム案内管５に配置する。

対物レンズ８の磁気ユニットは、制御ユニット２４に接続し、制御ユニット２４が磁気ユニットを制御して、対物レンズ８の磁気ユニットが第１クロスオーバーＣ１及び第２クロスオーバーＣ２を発生させるようにする。ここで説明する例示的な実施形態では、さらに、静電遅延デバイスの集束作用を用いる。第１クロスオーバーＣ１及び第２クロスオーバーＣ２の発生が、対物レンズ８の磁気ユニットのみによって行われることもできることに、はっきりと言及しておく。ＳＥＭ１において、より多くのクロスオーバーが光軸ＯＡに沿ったビーム経路にある、例えば第３クロスオーバーが陽極４と第２開口ユニット１０との間の領域にあることが、確かに可能である。しかしながら、重要なのは、対物レンズ８の磁気ユニットが少なくとも２つのクロスオーバーを発生させることである。すでに上述した記載を参照されたい。ここに示す例示的な実施形態では、第１クロスオーバーＣ１及び第２クロスオーバーＣ２がある。

第１クロスオーバーＣ１は対物レンズ８内に配置する。代替的に、第１クロスオーバーを、対物レンズ８と試料１５との間の領域に配置する（ビームプロファイルの破線；第１クロスオーバーを参照符号Ｃ１’で示す）。第２クロスオーバーＣ２は試料１５に配置する。換言すれば、第２クロスオーバー１５を試料１５の表面上に配置する。さらに換言すれば、試料１５を、光軸ＯＡが第２クロスオーバーＣ２の被写界深度範囲内に位置する場所で試料１５の表面と交わるように位置決めする。

第１検出器１７は、低エネルギー、例えば０ｅＶ〜５０ｅＶの範囲の電子を検出する役割を果たす。これらは、主に二次電子である。ランディングエネルギーに減速された一次電子ビームの電子が、これらの二次電子を発生させ、二次電子は、試料１５から出て対物レンズ８を通して指向される。対物レンズ８の強い励起と第１クロスオーバーＣ１及び第２クロスオーバーＣ２の形成とにより、上記二次電子は大きな立体角で偏向される。ビーム案内管５における二次電子のエネルギーは、ビーム案内管５を通して案内された一次電子ビームの電子のエネルギーから僅かにしかずれていないが、この偏向は驚くほどに生じる。

これに対して、二次電子と比較して試料１５から出る際に高い運動エネルギーを有し、したがってビーム案内管５を通して案内された一次電子ビームの電子のエネルギーにさらに近いビーム案内管５内のエネルギーを有する、試料１５で後方散乱した電子（後方散乱電子）は、非常にわずかにしか第１検出器１７によって捕えられない。これは、上記後方散乱電子が、対物レンズ８によって光軸ＯＡの比較的近くに集束され（したがって、一次電子ビームの電子のように）、したがって第１検出器１７の第１貫通開口１９を通過し得るからである。しかしながら、後方散乱電子は、第２検出器１８によって捕えられる。第１検出器１７及び第２検出器１８で生成された検出信号を用いて、試料１５の表面の１つ又は複数の画像が生成される。

図２は、ＳＥＭ１の例示的な第２実施形態の概略図を示す。図２における例示的な実施形態は、図１における例示的な実施形態に基づくものである。したがって、同一のコンポーネントは同一の参照符号で示す。図１に示す例示的な実施形態とは対照的に、図２における例示的な実施形態は、単一のコンデンサユニット、具体的にはコンデンサレンズ６のみを有する。

図３は、ＳＥＭ１の例示的な第３実施形態の概略図を示す。図３における例示的な実施形態は、図１における例示的な実施形態に基づくものである。したがって、同一のコンポーネントは同一の参照符号で示す。図１に示す例示的な実施形態とは対照的に、第１クロスオーバーＣ１及び第２クロスオーバーＣ２以外のクロスオーバーは、試料１５の方向で電子源２の下流のＳＥＭ１のビーム経路に配置されない。

図４は、ＳＥＭ１のさらに別の例示的な実施形態を示す、図４における例示的な実施形態は、基本的に図２における例示的な実施形態に基づくものである。同一のコンポーネントは同一の参照符号で示す。図２に示す例示的な実施形態とは対照的に、個別電極１３を管電極１４と試料１５との間の領域に配置する。さらに、図４に示すＳＥＭ１の例示的な実施形態では、２つのクロスオーバー、具体的には第１クロスオーバーＣ１及び第２クロスオーバーＣ２のみが、試料１５の方向に見て電子源２からＳＥＭ１のビーム経路に配置される。

全ての実施形態で、複数のクロスオーバーがＳＥＭ１のビーム経路に存在し得ることにはっきりと言及しておく。しかしながら、重要なのは、常に２つのクロスオーバー、すなわち第１クロスオーバーＣ１及び第２クロスオーバーＣ２が磁気ユニットによって発生することである。

全ての実施形態で、対物レンズ８の磁気ユニットが強く励起されることで、複数のクロスオーバー、具体的には第１クロスオーバーＣ１又はＣ１’及び第２クロスオーバーＣ２が発生する。ここで説明した例示的な実施形態では、さらに静電遅延デバイスの集束作用を用いることができる（上記参照）。一次電子ビームの電子は、第１クロスオーバーＣ１又はＣ１’にすでに収束した後に、試料１５の表面上の第２クロスオーバーＣ２に収束する。対物レンズ８の磁気ユニットの前述の動作モードにより（また、ここで説明した例示的な実施形態では、同じく静電遅延デバイスの集束作用により）試料１５が放出した二次電子の軌道が一次電子ビームの電子の軌道とはかなり異なるような強い収差が生じる。二次電子のかなりの部分が第１検出器１７に当たる。

対物レンズ８が発生させた収差が第２クロスオーバーＣ２における一次粒子ビームの十分に微細な集束を妨げる場合、補正器を電子源２と２つの検出器１７及び１８との間に配置することができ、この補正器を通して、対物レンズ８が発生させた収差を異なる符号によって相殺することで、補正器が発生させた収差と対物レンズが発生させた収差が完全に又は少なくとも部分的に補償し合うようにする。これに対応する補正器は、それらの構成に関して独国特許出願公開第１０ ２００７ ０４９ ８１６号明細書又は独国特許出願公開第１０１ ０７ ９１０号明細書から既知である。試料１５から出た二次電子及び／又は試料１５で後方散乱した一次電子（後方散乱電子）に関して、対物レンズ８が発生させた収差の補償は２つの検出器１７、１８の下流でしか生じないので、２つの検出器１７、１８に到達する前の二次電子及び／又は後方散乱電子の経路は、補正器がない場合と同程度まで軸外にあり、補正器による収差の補償が二次電子及び／又は後方散乱電子の検出性に悪影響を及ぼさない。

したがって、低エネルギー（例えば１００ｅＶ未満）を有する一次電子ビームの電子を試料１５の検査に用いた、試料１５の十分に良好な像を得ることが可能である。上述の検出孔の問題はもはや存在しないか、又はわずかにしか存在しないので、依然として十分な数の電子、特に二次電子が第１検出器１７に到達することで、試料１５の良好な像の達成に十分な像情報が入手可能である。

さらに、ＳＥＭ１は、試料１５を約１ｍｍ〜２ｍｍという比較的小さな作動距離で、検出孔の上述の問題を生じることなく検査することを可能にする。試料１５の像のコントラストがこれによりさらに改善される。検出孔の上述の問題を生じることなく異なるビーム発生器を用いることも可能となる。

図を参照して、対物レンズ８が電磁界重畳レンズ（superposed magnetic and electrostatic lens）を有する例示的な実施形態を用いて本発明が説明されている。しかしながら、本発明は、粒子ビームを集束させる１つの磁界のみを発生させる純粋に磁気的な対物レンズでも実現可能である。磁界は、光軸に沿って有限距離にわたって延びるので、十分に大きな磁界強度を有する純粋な磁気レンズの場合でも、特にこの場所の一次粒子ビームの粒子エネルギーが１ｋｅＶ未満であれば、２つのクロスオーバーを光軸に沿って連続して順次形成することが可能である。

１ 走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）
２ 電子源
３ 引出電極
４ 陽極
５ ビーム案内管
６ 第１コンデンサレンズ
７ 第２コンデンサレンズ
８ 対物レンズ
９ 第１開口ユニット
１０ 第２開口ユニット
１１ 対物レンズ磁極片
１２ コイル
１３ 電極
１４ 管電極
１５ 試料（物体）
１６ 走査ユニット
１７ 第１検出器
１８ 第２検出器
１９ 第１貫通開口
２０ 第２貫通開口
２１ 第１偏向ユニット
２２ 第２偏向ユニット
２３ 第３偏向ユニット
２４ 制御ユニット
ＯＡ 光軸
Ｃ１ 第１クロスオーバー
Ｃ１’第１クロスオーバー
Ｃ２ 第２クロスオーバー
Ｃ３ 第３クロスオーバー

Claims (14)

1. 粒子ビームデバイス（１）であって、
   一次粒子ビームを発生させる少なくとも１つのビーム発生器（２）と、
   前記一次粒子ビームを物体面（１５）に集束させる少なくとも１つの対物レンズ（８）と、
   前記物体面（１５）が放出した粒子を検出する少なくとも１つの第１検出器（１７）と
   を備え、
   前記対物レンズ（８）は、少なくとも１つの磁気ユニット（１１、１２）を有し、
   前記一次粒子ビームの少なくとも２つのクロスオーバー（Ｃ１、Ｃ１’、Ｃ２）が前記対物レンズ（８）によって連続して順次発生するように、該磁気ユニット（１１、１２）を励起する、粒子ビームデバイス。
2. 請求項１に記載の粒子ビームデバイス（１）において、
   前記磁気ユニット（１１、１２）は、少なくとも１つの第１クロスオーバー（Ｃ１、Ｃ１’）及び少なくとも１つの第２クロスオーバー（Ｃ２）を発生させ、
   前記第１クロスオーバー（Ｃ１、Ｃ１’）を、前記対物レンズ（８）に、又は、前記対物レンズ（８）と前記物体面（１５）との間の領域に、配置し、
   前記第２クロスオーバー（Ｃ２）を前記物体面（１５）に配置した、粒子ビームデバイス。
3. 請求項１又は２に記載の粒子ビームデバイス（１）であって、前記一次粒子ビームを整形する少なくとも１つの第１コンデンサユニット（６）を備えた粒子ビームデバイス。
4. 請求項３に記載の粒子ビームデバイス（１）であって、前記一次粒子ビームを整形する少なくとも第２コンデンサユニット（７）を備えた粒子ビームデバイス。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の粒子ビームデバイス（１）において、前記対物レンズ（８）は少なくとも１つの静電ユニット（１３、１４）を有する粒子ビームデバイス。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の粒子ビームデバイス（１）であって、前記一次粒子ビームの粒子を第１所定エネルギーへと加速させ、加速後に該第１所定エネルギーを維持し、且つ前記一次粒子ビームの粒子を第２所定エネルギーへと減速させる、少なくとも１つの粒子エネルギー制御ユニット（４、１３）を備えた粒子ビームデバイス。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の粒子ビームデバイス（１）であって、前記第１検出器（１７）を配置した少なくとも１つのビームコラム（５）を備えた粒子ビームデバイス。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の粒子ビームデバイス（１）であって、前記物体面（１５）で後方散乱した粒子を検出する少なくとも１つの第２検出器（１８）を備えた粒子ビームデバイス。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の粒子ビームデバイス（１）において、
   該粒子ビームデバイス（１）を電子ビームデバイスとして構成し、
   前記ビーム発生器（２）を一次電子ビームの発生用に設け、
   前記対物レンズ（８）を前記一次電子ビームの集束用に設け、
   前記第１検出器（１７）を、前記物体面（１５）が放出した電子の検出用に設けた、粒子ビームデバイス。
10. 請求項１〜８に記載の粒子ビームデバイス（１）において、
    該粒子ビームデバイス（１）をイオンビームデバイスとして構成し、
    前記ビーム発生器（２）を一次イオンビームの発生用に設け、
    前記対物レンズ（８）を前記一次イオンビームの集束用に設け、
    前記第１検出器（１７）を、前記物体面（１５）が放出した電子の検出用に設けた、粒子ビームデバイス。
11. 粒子ビームデバイス（１）を操作する方法であって、
    該粒子ビームデバイス（１）は、一次粒子ビームを発生させる少なくとも１つのビーム発生器（２）と、前記一次粒子ビームを集束させる少なくとも１つの対物レンズ（８）とを備え、
    少なくとも２つのクロスオーバー（Ｃ１、Ｃ１’、Ｃ２）を前記一次粒子ビームの伝播方向に連続して順次発生させるように、前記対物レンズ（８）を励起する、方法。
12. 請求項１１に記載の方法において、物体（１５）の表面の像を生成するために、前記一次粒子ビームと前記物体（１５）との相互作用により発生する相互作用粒子を、前記ビーム発生器（２）と前記対物レンズ（８）との間に配置した少なくとも１つの検出器（１７、１８）を用いて検出する方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、検出される前記相互作用粒子は、二次粒子及び／又は前記物体（１５）で後方散乱した粒子である方法。
14. 請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の方法において、
    前記一次粒子ビームの粒子は、前記物体（１５）に当たる際に１ｋｅＶ未満のエネルギーを有するか、又は
    前記一次粒子ビームの粒子は、前記物体（１５）に当たる際に１００ｅＶ未満のエネルギーを有する、方法。

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