JP2014203603A - 荷電粒子線装置およびそれを用いた計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、走査電子顕微鏡において二次電子のエネルギー弁別を高効率で行うことを目的とする。
【解決手段】
電子源と一次電子線を収束して試料に照射するための対物レンズとの間に、二次電子を一次電子線の光軸外に偏向するためのＥｘＢ偏向器を備えたＳＥＭにおいて、ＥｘＢ偏向器で偏向された二次電子を減速させる手段と前記減速された二次電子を偏向するための磁場発生器とを備え、前記磁場発生器の周囲に複数のエネルギーフィルタと検出器を配置する。すわなち、エネルギーフィルタへ入射する二次電子と反射する二次電子の軌道を磁場発生器により分離する事で、両者を同時に検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、荷電粒子線装置に係り、また、それを用いた計測方法に関するものである。

現在、半導体の製造ラインでは工程の途中でウェハ上に形成された回路パターンの寸法を計測する技術が歩留まりの向上に対して重要な役割を担っている。従来、この計測技術は光学式顕微鏡をベースにしたものが大半であったが、現在は半導体パターンの微細化に伴いＳＥＭをベースにした計測装置（以下、ＳＥＭ式測長装置）が広く普及している。

そして近年、半導体デバイスでは、使用される材料の多様化および構造の３次元化が進んでいる。それに伴い、異種材料間の寸法計測や三次元デバイスの寸法計測の要求が高まりつつある。

ＳＥＭにおいて異種材料間のコントラストを得る手段として、ＳＥＭにおいて検出される二次電子をエネルギー弁別する方法が挙げられる。ここで二次電子とは、“真の二次電子”（一次電子線が試料内部で非弾性散乱する事によって試料内部の原子を励起して生成された電子が表面から放出される、例えば５０ ｅＶ以下の電子）と反射電子（一次電子が試料内部で後方散乱し、表面を脱出した電子であり一次電子とほぼ同じエネルギーを持つ）とを含む。これを利用し、表面形状に敏感な二次電子と、表面よりも埋もれた形状の情報を有する反射電子とを弁別することで様々な計測が可能となる。以下、特に断らない限り二次電子は“真の二次電子”と“反射電子”を含むものとする。

一方、三次元デバイスの多くは、高アスペクトの深溝や深孔の形状をしている。深溝や深孔の底部の寸法をＳＥＭ式測長装置で計測する場合、溝底や孔底から脱出した二次電子を効率良く検出することが求められる。これは側壁の影響によるところが大きい。溝底や孔底から脱出できる二次電子は、側壁の影響を受けにくい方向である一次電子の光軸近傍に出射したものが多い。従って、深溝や深孔の観察および計測には光軸近傍に出射した二次電子を検出する必要がある。

二次電子のエネルギー弁別を可能にする構成として、特許文献１に開示されている構成が挙げられる。特許文献１では、金属グリッドに負極性の電圧を印加し、金属グリッドを通過した二次電子のみを検出している。この場合、電極グリッドを通過するためには、二次電子はグリッドに印加した電圧以上のエネルギーを持っている必要があるため、二次電子のエネルギー弁別が可能になる。

以下、二次電子のエネルギー弁別に用いる負極性の電圧を印加した金属グリッドをエネルギーフィルタと称する。一方、光軸近傍に出射した二次電子のエネルギー弁別を可能にする構成として、特許文献２に開示されている構成が挙げられる。特許文献２では、磁場と電場を直交させた光学素子であるＥｘＢ偏向器により二次電子のみを光軸外に偏向し、ＥｘＢ偏向器と検出器の間にエネルギーフィルタを設置している。

ＷＯ０１／０７５９２９号公報 特開２００１−３５７８０８号公報

半導体デバイスをＳＥＭで観察する場合、試料へのダメージを少なくするため、一次電子線のエネルギーを例えば１ ｋｅＶ以下の低エネルギーにすることが好まれる。ただし、一次電子線のエネルギーが低い状態は、電子線の軌道が他の光学系（部品）の影響を受けやすくなるため、測定の精度が低下する。

上記理由から、一次電子線のエネルギーが低い状態でも、高分解能に試料を観察するためには、試料に負極性の電圧を印加し、試料直前で一次電子線を減速するリターディング法が有効である。

しかしながら、特許文献１に開示されているＳＥＭにおいて、リターディング法を用いた場合、以下のような問題が発生する。

一般的にリターディング法では数ｋＶの負極性の電圧（以下、リターディング電圧）を試料に印加する。この場合、試料で発生した二次電子はリターディング電圧により加速及び収束され光軸近傍に集まるため、一部の二次電子はエネルギーフィルタの開口（特許文献１の第７図中１１２）を通過する。エネルギーフィルタの開口（特許文献１の第７図中１１２）付近は二次電子の弁別に必要な電位障壁が形成されていないため、エネルギーフィルタに印加した電圧よりも低いエネルギーを持つ二次電子も通過する可能性がある。また他方で、反射板（特許文献１の代表図面中２９）の孔を通過した二次電子が検出されないこともある。

また、エネルギーフィルタの開口（特許文献１の第７図中１１２）や反射板（特許文献１の代表図面中２９）の孔を通過する二次電子の多くは溝底および孔底から脱出した二次電子であるため、特許文献１の構成は深溝および深孔の観察及び計測において、感度を低下させることがある。

また、リターディング電圧で加速された二次電子をエネルギー弁別するためには、エネルギーフィルタのグリッドにもリターディング電圧と同等の電圧を印加する必要がある。その結果、エネルギーフィルタで反射した二次電子も数ｋＶに加速される。この場合、エネルギーフィルタで反射した二次電子のエネルギーが高いため、エネルギーフィルタより下方にある検出器（特許文献１の図１０中の４０）では検出する事が困難になる。そのため、特許文献１に開示されているＳＥＭではエネルギーフィルタを通過した二次電子と反射した二次電子の両方を同時にエネルギー弁別する事が難しい。

一方、特許文献２に開示されているＳＥＭでは、二次電子をＥｘＢ偏向器により光軸外に偏向した後にエネルギーフィルタを通過させるため、光軸近傍に出射した二次電子のエネルギーが可能である。加えて、エネルギーフィルタとＥｘＢ偏向器との間に偏向コイル（特許文献２の第３図中１６ａ）を設置し、エネルギーフィルタへ入射する二次電子と反射した二次電子の軌道を分離し、両方の二次電子を同時に取得する手法が開示されている。

しかし、特許文献２に開示されているＳＥＭにおいてリターディング電圧が高い（例えば数ｋＶ）状態で使用する場合、エネルギーフィルタへ入射する二次電子と反射する二次電子の両者を損失なく検出することは難しい。その理由を以下で述べる。

エネルギーフィルタへ入射する二次電子とエネルギーフィルタにて反射する二次電子との両者を損失なく検出するためには、エネルギーフィルタで反射した二次電子を検出するための検出器がエネルギーフィルタへ入射する二次電子の軌道を遮らない事が必要である。従って、エネルギーフィルタへ入射する電子とエネルギーフィルタにて反射する二次電子の軌道とを大きく分離する必要がある。

しかし、実際に特許文献２に開示されているＳＥＭでは、二次電子の偏向コイルによる偏向角は２°程度である。偏向角が２°程度の場合、エネルギーフィルタへ入射する二次電子の軌道を遮る事なくエネルギーフィルタで反射する二次電子を直接検出器に導くことは装置の空間制約上難しい。実際、特許文献２に開示されているＳＥＭではエネルギーフィルタで反射する二次電子は反射板（特許文献２の第３図中１８ｂ）を介して検出している。これは、対物レンズ９の上方には、偏向角が２°程度の軌道において電子を直接検出できる角度に検出器を備えるほどの空間がないことが理由として挙げられる。また今回、本発明者の検討により、反射板を用いて検出する方法が元々電子の数が少ない反射電子の検出個数をさらに下げ、Ｓ／Ｎを低下させる原因を生じさせていることも判明した。

また、特許文献２では二次電子の軌道を分離するためには偏向コイルで発生させた磁場を用いているが、リターディング電圧が高い場合に二次電子を大きく偏向するためには偏向コイルに流す電流（発熱量）が大きくなるという課題がある。すなわち、特許文献２に開示されている偏向コイルは大角で偏向することには適さない。

上記課題を解決するために本願に係る荷電粒子線装置は、荷電粒子線を発生させる荷電粒子源と、前記荷電粒子源からの前記荷電粒子線を偏向させる第一の偏向器と、前記荷電粒子線を収束させる収束レンズと、前記荷電粒子線が照射される試料を保持するステージと、前記試料または前記ステージに前記荷電粒子線を減速させるリターディング電圧を印加させる電源部と、前記試料からの二次電子を前記荷電粒子線の光軸外へ偏向する第二の偏向器と、電子のエネルギーに応じて電子を通過もしくは反射する第一のグリッドと、前記第一のグリッドを前記通過した前記二次電子を検出する第一の検出器と、前記第一のグリッドを前記反射した前記二次電子を検出する第二の検出器と、前記第一のグリッドを前記通過した前記二次電子と前記第一のグリッドを前記通過した前記二次電子とをそれぞれ偏向する磁場発生器と、を有することを特徴とする。

また、本願に係る計測方法は、上記に記載の荷電粒子線装置を用いた測長方法であって、前記第一の検出器で得られる信号で第一の画像を形成する工程と、前記第二の検出器で得られる信号で第二の画像を形成する工程と、前記第一の画像と前記第二の画像とのそれぞれから前記試料のパターン寸法を計測する工程とを含み、前記試料の寸法計測箇所が前記第一の画像と前記第二の画像とで異なっていることを特徴とする。

上記構成を有することで、二次電子を大きく偏向することが可能になる。この現象を利用し、例えばエネルギーフィルタにおいて入射および反射された二次電子の両者を直接検出する事ができる。

第一の実施例に係る走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略全体構成図である。 ＥｘＢ偏向器の概略図である。 ＥｘＢ偏向器における一次電子への偏向作用を説明するための図である。 ウィーン条件を満たす場合にＥｘＢ偏向器における二次電子の偏向作用を説明するための図である。 磁場発生器の磁場によって偏向される二次電子軌道を説明するための図である。 エネルギーフィルタの概略図である。 エネルギーフィルタＡを通過および反射する二次電子の軌道を説明するための図である。 二次電子のエネルギー分布とＳＥＭ画像ＡおよびＳＥＭ画像Ｂのエネルギー領域を説明するためのグラフである。 酸化膜ホールの概略図である。 第一の実施例に係るＳＥＭで酸化膜ホールを観察した際に得られるＳＥＭ画像の概略図Ａである。 第一の実施例に係るＳＥＭで酸化膜ホールを観察した際に得られるＳＥＭ画像の概略図Ｂである。 第一の実施例に係るＳＥＭで酸化膜ホールを観察した際に得られるＳＥＭ画像の概略図Ｃである。 第二の実施例に係る走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略全体構成図である。 エネルギーフィルタＡとエネルギーフィルタＢを通過および反射する二次電子の軌道を説明するための図である。 二次電子のエネルギー分布とＳＥＭ画像ＡおよびＳＥＭ画像Ｂのエネルギー領域を説明するためのグラフである。 第三の実施例に係る走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略全体構成図である。 エネルギーフィルタＡおよびエネルギーフィルタＢで反射する二次電子の軌道を説明するための図である。 二次電子のエネルギー分布とＳＥＭ画像Ａ、ＳＥＭ画像ＢおよびＳＥＭ画像Ｃのエネルギー領域を説明するためのグラフである。 二次電子減速電極の内側に検出器とエネルギーフィルタを設置した構成を説明するための図。 導体と絶縁膜で発生した二次電子のエネルギー分布の違いを説明するための図。 エネルギーフィルタＡに印加する電圧を設定するためのＧＵＩ画面を説明するための図。 エネルギーフィルタＡおよびエネルギーフィルタＢに印加する電圧を設定するためのＧＵＩ画面を説明するための図。

本発明者は、電子源と一次電子線を収束して試料に照射するための対物レンズとの間に、二次電子を一次電子線の光軸外に偏向するためのＥｘＢ偏向器を備えたＳＥＭにおいて、ＥｘＢ偏向器で偏向された二次電子を減速させる手段と前記減速された二次電子を偏向するための磁場発生器とを備え、前記磁場発生器の周囲に複数のエネルギーフィルタと検出器を配置した事を特徴としたＳＥＭを検討した。

これにより、ＥｘＢ偏向器で偏向された二次電子を減速した後に磁場発生器に入射する事で、高いリターディング電圧を印加した場合でも磁場発生器の磁場は低いまま二次電子を大きく偏向することが可能になる。前述の機構と併せてエネルギーフィルタおよび検出器を設置することで、エネルギーフィルタへ入射および反射する二次電子の両者を損失なく直接検出する事が可能になる。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第一の実施例）
図１は本実施例に係るＳＥＭの構成を示す図である。図１のＳＥＭにおいて、電子源１０１で生成された一次電子１１２は第一収束レンズ１０２で収束され、絞り１０３を通過し、偏向器１０４にて偏向され、電界シールド１２２を通過し、ＥｘＢ偏向器１０６を通過した後、対物レンズ１０７にて細く絞られ試料１０８に入射する。

試料１０８は試料ホルダ１１３上に置かれており、試料１０８と試料ホルダ１１３間は電気的に接触している。試料ホルダ１１３にはリターディング電源１０９よりリターディング電圧（Ｖ_Ｒ）を印加する事ができ、一次電子１１２はリターディング電圧によって減速されて試料１０８に入射する。以下、リターディング電源１０９より印加する電圧をＶ_Ｒ（＜０）とする。

試料ステージ１１５は一次電子１１２の光軸をｚ軸とすれば、ｘｙ面内に移動可能である。また、試料ホルダ１１３とステージ１１４は絶縁材１１４で電気的に絶縁されている。一次電子１１２の試料１０８への照射に起因して発生した二次電子１１６はリターディング電圧によって加速されたのち、ＥｘＢ偏向器１０６で一次電子１１２の光軸外に偏向される。

ここで、図２を用いてＥｘＢ偏向器１０６の詳細を述べる。ＥｘＢ偏向器１０６はＥｘＢ電極２０１とＥｘＢコイル２０３で構成され、ＥｘＢ電極２０１によって生じるＥｘＢ電場２０４とＥｘＢ磁場２０２が直交しているという特徴がある。加えて、ＥｘＢ電場２０４とＥｘＢ磁場２０２の大きさは、一次電子１１２がＥｘＢ偏向器１０６内で偏向されない条件（以下、ウィーン条件）を満たすものとする。本実施例ではＥｘＢ電場２０４の方向は図２中の矢印の方向とし、ＥｘＢ磁場２０２は紙面裏から表の方向に働いているものとして説明する。

そして、エネルギー−ｅＶ_０（Ｖ_０＜０）をもつ一次電子１１２がＥｘＢ電場２０４で偏向される角度をθ_０Ｅ、ＥｘＢ磁場２０２で偏向される角度をθ_０Ｂとすると（図３）、θ０Ｅおよびθ_０Ｂの大きさは以下の式１で表される。

・・・（１）

・・・（２）
ここで、ｅは電気素量、ｍ_ｅは電子の質量、Ｅ_０はＥｘＢ電場２０４、Ｂ_０はＥｘＢ磁場２０２の大きさであり、ＥｘＢ電場２０４およびＥｘＢ磁場２０２の作用する長さは１としている。（１）（２）式より、ウィーン条件におけるＥ_０とＢ_０の関係は以下の式で表される。

・・・（３）
ウィーン条件を満たす場合、エネルギー−ｅＶ_１（Ｖ_１＜０）を持つ二次電子１１６がＥｘＢ電場２０４で偏向される角度をθ_１Ｅ、ＥｘＢ磁場２０２で偏向される角度をθ_１Ｂとすると（図４）、θ１Ｅおよびθ_１Ｂの大きさは以下の式で表される。

・・・（４）

・・・（５）
θ_１Ｅとθ_１Ｂの方向が同じであるため、二次電子１１６がＥｘＢ偏向器１０６で偏向される角度θ_１は（３）〜（５）式より下記のように表される。

・・・（６）
以上で述べたように、ウィーン条件下において一次電子１１２はＥｘＢ偏向器１０６で偏向されず、二次電子１１６は（６）式で表される角度だけＥｘＢ偏向器１０６で偏向される。なお、本実施例ではθ_１が約３０°になるようにＥ０とＢ０を設定する。

ＥｘＢ偏向器１０６で偏向された二次電子１１６は二次電子減速電極１２０および磁場発生器１１１に入射する。二次電子減速電極１２０および磁場発生器１１１における二次電子１１６の偏向量について図５を用いて説明する。

図５における二次電子減速電極１２０は導体で構成されており、二次電子１１６が通過するための開口が３箇所ある。二次電子減速電極１２０には二次電子減速電源１２１より電圧Ｖ_ｄ（＜０）を印加することができる。エネルギー−ｅＶ_１（Ｖ_１＜ Ｖ_ｄ＜０）を持つ二次電子１１６が二次電子減速電極１２０に進入した場合、二次電子１１６は電圧Ｖ_ｄによって減速されるため、エネルギーは−ｅ（Ｖ_１−Ｖ_ｄ）となる。

前記減速された二次電子１１６は、磁場発生器１１１によって発生された磁場によって偏向される。本実施例において磁場発生器１１１は磁性体の周りにコイルを巻いた構成とし、磁場発生器１１１によって発生する磁場が二次電子１１６の軌道に影響を及ぼす範囲は、二次電子減速電極１２０の減速電界が二次電子１１６の軌道に影響を及ぼす範囲内とする。本実施例において、磁場発生器１１１によって発生する磁場の方向は紙面表から裏の方向に働いているものとして説明する。なお、磁場発生器１１１は磁性体の周りにコイルを巻いた構成に限定するものではなく、他の磁場を発生できる装置で代用する事ができる。

磁場発生器１１１によって発生する磁場の大きさをＢ_１とし、Ｂ_１の作用する長さは１とした場合、磁場発生器１１１における二次電子１１６の偏向角θ_２の大きさは、以下の式で表される。

・・・（７）
もし二次電子減速電極１２０を用いない場合は、（８）の式で表される。

・・・（８）
二次電子減速電極１２０によって二次電子１１６を減速した方が同じ大きさの磁場でも偏向角θ２が大きいことが分かる。リターディング電圧Ｖ_Ｒが高くなると二次電子減速電極１２０入射時の二次電子１１６のエネルギー−ｅＶ_１も高くなるため、二次電子減速電極１２０を用いない場合に偏向角θ_２を一定に保つためには大きな磁場が必要になる。一方、本実施例に示す二次電子減速電極１２０を用いると、リターディング電圧Ｖ_Ｒが変動しても｜Ｖ_Ｒ−Ｖ_ｄ｜が一定となるようにＶ_ｄを制御することで、磁場を変えることなく同じ偏向角θ_２を得ることが可能になる。本実施例ではθ_２が約３０°に設定される。

磁場発生器１１１の磁場が一次電子１１２の光軸上に漏れ出すと、一次電子１１２の収差が増大して空間分解能が劣化するため、磁場発生器１１１の磁場をシールドする事が重要である。そこで、本実施例では一次電子１１２の光軸周りに磁界シールド１０５を設置している。磁界シールド１０５の材質は、磁場発生器１１１の磁場をシールドするためにパーマロイやフェライトなどの磁性体とする。同様に、二次電子減速電極１２０の電界が一次電子１１２の光軸上に漏れ出しても、一次電子１１２の収差が増大して空間分解能が劣化する。これを防ぐため、本実施例では一次電子１１２の光軸周りに電界シールド１２２も設置する。電界シールド１２２は導体であり、接地されているものとする。

二次電子減速電極１２０を通過した二次電子１１６はエネルギーフィルタＡ１２３に進入する。本実施例において、エネルギーフィルタＡ１２３は二次電子減速電極１２０と検出器Ａ１１０の間に設置されているものとする。エネルギーフィルタＡ１２３は導電性のグリッドで構成されており、グリッドの枚数は一枚乃至複数枚であり、グリッド内の最低一枚はフィルタ電源Ａ１２４に接続されているものとする。

図６に示す通り、エネルギーフィルタＡ１２３の具体的な構成は、フィルタ電源Ａ１２４に接続された電極グリッド６０１を接地した接地グリッドＡ６０２および接地グリッドＢ６０３で挟む構造とする。フィルタ電源Ａ１２４より電圧Ｖ_Ｆ１（＜０）を電極グリッド６０１に印加することで、−ｅ Ｖ_Ｆ１以上のエネルギーを持つ二次電子１１６のみを通過させることができる。

接地グリッドＡ６０２および接地グリッドＢ６０３は、電極グリッドに印加した電圧がエネルギーフィルタＡ１２３の外部に漏れ出さないようにシールドする役割を持つ。本実施例では、エネルギーフィルタＡ１２３はグリッド３枚で構成されているが、フィルタ電源Ａ１２４に接続するグリッドは複数枚あっても良く、接地グリッドＡ６０２および接地グリッドＢ６０３は接地した円筒電極で代用する事ができる。

次に図７を用いて、エネルギーフィルタＡ１２３を通過および反射する二次電子の軌道と検出方法について説明する。図７は、フィルタ電源Ａ１２４より電圧Ｖ_Ｆ１（＜０）を電極グリッド６０１に印加し、−ｅＶ_Ｂ（Ｖ_Ｂ＜０）のエネルギーを持つ二次電子Ｂ７０２と−ｅＶ_Ａ（Ｖ_Ａ＜０）のエネルギーを持つ二次電子Ａ７０１がエネルギーフィルタＡ１２３に入射した場合の二次電子軌道を表している。ここで、−ｅＶ_Ａ＜ −ｅＶ_Ｆ１＜ −ｅＶ_Ｂである。二次電子Ｂ７０２はエネルギーフィルタＡ１２３を通過できるため、検出器Ａ１１０で検出する事ができる。一方、二次電子Ａ７０１はエネルギーフィルタＡ１２３を通過できずに反射される。エネルギーフィルタＡ１２３で反射された二次電子Ａ７０１は、磁場発生器１１１を通過する際に、ローレンツ力により二次電子Ａ７０１が磁場発生器１１１に入射する時とは逆方向に偏向される。

従って、二次電子Ａ７０１の軌道はエネルギーフィルタＡ１２３への入射時と反射時で差が生じ、検出器Ｂ１２５で二次電子Ａ７０１を検出する事が可能になる。即ち、本実施例の構成を用いると、−ｅＶ_Ｆ１以上のエネルギーを持つ二次電子は検出器Ａ１１０、−ｅＶ_Ｆ１以下のエネルギーを持つ二次電子は検出器Ｂ１２５で同時に検出する事が可能になる。

本実施例では、二次電子減速電極１２０の外側に検出器Ａ１１０、検出器Ｂ１２５およびエネルギーフィルタＡ１２３を設置する構成をとっているが、図１７に示すように、二次電子減速電極１２０の内側に検出器Ａ１１０、検出器Ｂ１２５およびエネルギーフィルタＡ１２３を設置しても良い。

本実施例において、検出器Ａ１１０および検出器Ｂ１２５にはシンチレータ・ライトガイド・光電子増倍管で構成されるＥｖｅｒｈａｒｔ−Ｔｈｏｒｎｌｅｙ検出器を用いる。これらの検出器は本条件において高い検出感度を有する。ただし、検出器Ａ１１０および検出器Ｂ１２５に半導体検出器やマイクロチャンネルプレートなど他の電子線検出器を用いても本実施例の効果を得ることができる。

ＳＥＭ画像を形成するためには、一次電子１１２が試料１０８上を走査するように偏向器１０４で一次電子１１２を偏向し、検出器Ａ１１０で取り込まれた信号は画像処理部Ａ１１７へ、検出器Ｂ１２５で取り込まれた信号は画像処理部Ｂ１２６へそれぞれ送る。画像処理部Ａ１１７および画像処理部Ｂ１２６では、走査信号と同期した検出信号のマップとしてＳＥＭ画像を形成する。

以下、画像処理部Ａ１１７で形成されたＳＥＭ画像をＳＥＭ画像Ａ、画像処理部Ｂ１２６で形成されたＳＥＭ画像をＳＥＭ画像Ｂとする。ＳＥＭ画像ＡおよびＳＥＭ画像Ｂは画像メモリ部１１８に保存され、ユーザーが随時、画像表示部１１９で確認する事ができる。

以下で、フィルタ電源Ａ１２４の電圧Ｖ_Ｆ１の設定方法について説明する。背景技術の節で述べたように、二次電子１１６は“真の”二次電子と反射電子を含むものである。ここで、“真の”二次電子は５０ｅＶ以下のエネルギーを持つが、反射電子は一次電子１１２と同程度のエネルギーを持つ。

図８に記載されたように、一次電子１１２のエネルギーが−ｅＶ_０の場合に得られる二次電子１１６のエネルギー分布を示す。本実施例では、一次電子１１２のエネルギー−ｅＶ_０が数１００ｅＶ乃至数１０００ｅＶの範囲で使用するため、“真の”二次電子と反射電子のエネルギー領域は大きく異なる。

従って、Ｖ_Ｆ１を−５０Ｖ程度に設定すれば、ＳＥＭ画像Ａは反射電子による画像になり、ＳＥＭ画像Ｂは“真の”二次電子による画像になる。なお、リターディング電源１０９により試料１０８に電圧Ｖ_Ｒ（＜０）が印加されている場合は、図８のエネルギー分布は−ｅＶ_Ｒのオフセットを持つことになるので、“真の”二次電子と反射電子の分離を行うためにはＶ_Ｆ１をＶ_Ｒ−５０Ｖ程度に設定する必要がある。

また、“真の”二次電子は試料１０８の表面形状や帯電状態の違い反映することが知られている。特に、帯電状態の違いは二次電子１１６のエネルギー分布の違いとなって表れるため、本発明を用いて帯電状態の違いを可視化する事ができる。その一例として、図９に示す半導体の製造工程における酸化膜ホールが挙げられる。

図９は酸化膜ホールの断面図を示したものであり、導体９０１上に絶縁膜９０２が積層されており、絶縁膜９０２には孔が開けられている。一次電子１１２が絶縁膜９０２に照射されると絶縁膜９０２は帯電し、帯電の正負は（“真の”二次電子量）／（一次電子量）で定義される二次電子発生効率で決まる。二次電子発生効率が１．０より小さければ絶縁膜９０２は負に帯電し、１．０より大きければ正に帯電する。二次電子発生効率は一次電子１１２の絶縁膜９０２入射時のエネルギーによって決まり、半導体デバイスで一般に使用される絶縁物の二次電子発生効率が１．０を超えるのは５００ ｅＶから１０００ ｅＶである。

以下は、絶縁膜９０２がΔＶだけ正に帯電した場合について説明する。導体９０１から出射した二次電子９０３は絶縁膜９０２の正帯電により引き上げられて孔の外へ脱出できる。従って、通常のＳＥＭで酸化膜ホールを観察すると図１０（ｃ）のようなＳＥＭ画像が得られる。

図１０（ｃ）では導体９０１から出射した二次電子９０３と絶縁膜９０２から出射した二次電子９０４の両方がＳＥＭ画像を構成しているため、孔の外側と内側の境界のコントラストがとれず、孔の径を計測した場合に精度が出ない。

しかし図１０（ａ）（ｂ）に示すように、本実施例に示すＳＥＭでは孔の外側と内側を分離して画像化する事ができる。その理由を以下で述べる。導体９０１はリターディング電圧ＶＲと同電位であるが絶縁膜９０２の電位はＶＲ＋ΔＶとなっているため、二次電子９０３と二次電子９０４がエネルギーフィルタＡ１２３へ入射する際のエネルギーがｅΔＶだけ異なる。

即ち、図１８に示すように導体９０１で発生した二次電子９０３のエネルギー分布１８０１に対して絶縁膜９０２で発生した二次電子９０４のエネルギー分布１８０２はｅΔＶだけシフトする。従って、フィルタ電源Ａ１２４の電圧Ｖ_Ｆ１をＶ_Ｒ近傍に設定する事で、二次電子９０３を検出器Ａ１１０で、二次電子９０４を検出器Ｂ１２５でそれぞれ検出する事ができる。

本実施例において、ユーザーはＳＥＭ画像ＡおよびＳＥＭ画像Ｂからパターンの寸法を計測する事ができる。例えば、図１０（ａ）（ｂ）を用いてそれぞれ孔の内側の径と外側の径を計測する事ができる。

そして図１９に示すように、ユーザーはフィルタ電源Ａ１２４の電圧Ｖ_Ｆ１や一次電子１１２のエネルギーをＧＵＩ１９０１上で設定することができる。ＧＵＩ１９０１は画像表示部１１９上に表示される。一次電子エネルギー入力部１９０２に入力された値と一次電子１１２のエネルギーが等しくなるようにＶ_Ｒは設定される。また、Ｖ_Ｆ１は第一閾値入力部１９０３に入力された値Ｅ_１とＶ_Ｒを用いて、以下の電圧に設定される。

・・・（９）
ＳＥＭ画像選択ボタン１９０５により、ＳＥＭ画像ＡとＳＥＭ画像ＢのどちらをＳＥＭ画像表示部１９０４に表示させるかを選択することができる。ＳＥＭ画像選択ボタン１９０５によって選択されたＳＥＭ画像がどのエネルギー領域の二次電子から形成されるかは、検出エネルギー範囲表示部１９０６に表示されるグラフの斜線部で表示されている。

なお、詳細は省略するが、一次電子１１２の電流量、ＳＥＭ画像ＡおよびＳＥＭ画像Ｂの撮像方法とフレーム枚数等もＧＵＩ１９０１上で設定することができる。なお、本実施例において開示したＧＵＩ１９０１の構成はほんの一例であり、これに限定されるものではない。例えば、一次電子エネルギー入力部１９０２や第一閾値入力部１９０３は数値を入力するのではなく、スライドバー方式であっても良い。

（第二の実施例）
第二の実施例の構成を図１１に示す。本実施例は、第一の実施例に対し、エネルギーフィルタＢ１１０１とフィルタ電源Ｂ１１０２を追加したものである。ここで、エネルギーフィルタＢ１１０１およびフィルタ電源Ｂ１１０２の構成はエネルギーフィルタＡ１２３およびフィルタ電源Ａと同等（図６）とし、エネルギーフィルタＢ１１０１は検出器Ｂ１２５より磁場発生器１１１側に設置する。

第一の実施例では、エネルギーフィルタＡ１２３を通過する二次電子と反射する二次電子をそれぞれ検出器Ａ１１０および検出器Ｂ１２５で検出する構成である。一方、本実施例の構成では任意のエネルギー範囲にある二次電子の検出、言わばバンドパス検出が可能になる。

本実施例においてバンドパス検出が可能になる理由について、図１２を用いて説明する。本実施例では、フィルタ電源Ａ１２４より電圧Ｖ_Ｆ１（＜０）をエネルギーフィルタＡ１２３に印加し、フィルタ電源Ｂ１１０２より電圧Ｖ_Ｆ２（＜０）をエネルギーフィルタＢ１１０１に印加する。ここで、バンドパス検出を実現するためには以下の関係を満たす必要がある。

・・・（１０）
エネルギーの範囲が−ｅＶ_Ｆ２から −ｅＶ_Ｆ１にある二次電子Ｃ１２０１、エネルギーが−ｅＶ_Ｆ２以下である二次電子Ｄ１２０２、エネルギーが−ｅＶ_Ｆ１以上である二次電子Ｅ１２０３が二次電子減速電極１２０に入射した場合を考える。二次電子Ｅ１２０３はエネルギーフィルタＡ１２３を通過できるが、二次電子Ｃ１２０１および二次電子Ｄ１２０２はエネルギーフィルタＡ１２３で反射される。

反射された二次電子Ｃ１２０１および二次電子Ｄ１２０２は、磁場発生器１１１で偏向された後、エネルギーフィルタＢ１１０１に入射する。ここで、二次電子Ｃ１２０１はエネルギーフィルタＢ１１０１を通過して検出器Ｂ１２５で検出されるが、二次電子Ｄ１２０２はエネルギーフィルタＢ１１０１で反射される。即ち、検出器Ｂ１２５ではエネルギーの範囲が−ｅＶ_Ｆ２から −ｅＶ_Ｆ１にある二次電子Ｃ１４０１のみをバンドパス検出する事ができる。

図１３は二次電子のエネルギー分布とＳＥＭ画像ＡおよびＳＥＭ画像Ｂのエネルギー範囲を示したものである。ここで、Ｖ_Ｆ２はＶ_Ｆ１と同様に図２０に示すＧＵＩ１９０１上における第二閾値入力部２００１に値を入力する事で設定できる。具体的には、第二閾値入力部２００１に入力された値Ｅ２とＶＲを用いて、以下の電圧に設定される。

・・・（１１）
ただし、Ｖ_Ｆ２が（１０）式を満たす範囲でしかＥ_２を設定する事は出来ない。設定されたＥ_１およびＥ_２とＳＥＭ画像選択ボタン１９０５によって選択されたＳＥＭ画像がどのエネルギー領域の二次電子から形成されるかは、検出エネルギー範囲表示部１９０６に表示されるグラフの斜線部で表示されている。

バンドパス検出する事で得られるＳＥＭ画像の例として、試料の内部構造を画像化する例が挙げられる。試料内部の構造を可視化する場合は、二次電子の内、反射電子をバンドパス検出する手法が有効である。

図１３を用いその理由を説明する。反射電子の内−ｅＶ_０に近いエネルギーを持つものは、試料内であまり散乱されていないため試料表面の情報を持つが、−ｅＶ_０よりも大きくエネルギーを失った反射電子は、試料内部で何度も散乱されてから試料外に飛び出すため、試料内部の情報を持っている。従って、ＳＥＭ画像Ｂがエネルギーを失った反射電子のみから構成されるようにＶ_Ｆ１およびＶ_Ｆ２を設定することで試料内部のＳＥＭ画像を得ることができる。

（第三の実施例）
図１４に第三の実施例の構成を示す。本実施例は、第二の実施例の構成に対して、検出器Ｃ１４０１と画像処理部Ｃ１４０２を追加したものである。ただし、本実施例において二次電子減速電極１２０は検出器Ｃ１４０１方向に開口を有するものとする。

本実施例において、検出器Ｃ１６０１は検出器Ａ１１０および検出器Ｂ１２５と同様にＥｖｅｒｈａｒｔ−Ｔｈｏｒｎｌｅｙ検出器を用いる。ただし、検出器Ｃ１６０１に半導体検出器やマイクロチャンネルプレートなど他の電子線検出器を用いても本実施例の効果を得ることができる。

検出器Ｃ１６０１におけるＳＥＭ画像の形成方法は検出器Ａ１１０および検出器Ｂ１２５の場合と同様である。即ち、一次電子１１２が試料１０８上を走査するように偏向器１０４で一次電子１１２を偏向し、検出器Ｃ１４０１で取り込まれた信号を画像処理部Ｃ１４０２へ送る。画像処理部Ｃ１４０２では走査信号と同期した検出信号のマップとしてＳＥＭ画像を形成する。以下、画像処理部Ｃ１４０２で形成されたＳＥＭ画像をＳＥＭ画像Ｃとする。ＳＥＭ画像Ｃは画像メモリ部１１８に保存され、ユーザーが随時、画像表示部１１９で確認する事ができる。

そして、（１０）式を満たす条件で、エネルギーフィルタＡ１２３およびエネルギーフィルタＢ１１０１に電圧が印加されている場合、二次電子減速電極１２０に入射した二次電子Ｄ１２０２はエネルギーフィルタＡ１２３およびエネルギーフィルタＢ１１０１で跳ね返されるため、図１５に示す軌道を描く。

本実施例では、エネルギーフィルタＢ１１０１で跳ね返された二次電子Ｄ１２０２が磁場発生器１１１で偏向された後、検出器Ｃ１４０１で検出される構成としている。この場合、ＳＥＭ画像Ｃは−ｅＶ_Ｆ２以下のエネルギーを持つ二次電子Ｄ１２０２で形成されることになり、ＳＥＭ画像ＡおよびＳＥＭ画像Ｂと合わせると、三種類のエネルギー帯のＳＥＭ画像を同時に取得することが可能となる（図１６）。なお、Ｖ_Ｆ１およびＶ_Ｆ２は実施例２の場合と同様に図２０に示すＧＵＩ１９０１で設定する事ができる。

本実施例において、ユーザーはＳＥＭ画像ＡおよびＳＥＭ画像ＢおよびＳＥＭ画像Ｃから試料１０８のパターンの寸法を計測する事ができる。

以上の実施例について述べてきたが、述べた数値はごく一例であり、これらに限定されるものではない。また、ＥｘＢ偏向器１０６における電場と磁場の方向および磁場発生器１１１の磁場の方向を変えても、本発明の効果を得ることができる。

１０１・・・電子源，
１０２・・・第一収束レンズ，
１０３・・・絞り，
１０４・・・偏向器，
１０５・・・磁界シールド，
１０６・・・ＥｘＢ偏向器，
１０７・・・対物レンズ，
１０８・・・試料，
１０９・・・リターディング電源，
１１０・・・検出器Ａ，
１１１・・・磁場発生器，
１１２・・・一次電子，
１１３・・・試料ホルダ，
１１４・・・絶縁材，
１１５・・・試料ステージ，
１１６・・・二次電子，
１１７・・・画像処理部Ａ，
１１８・・・画像メモリ部，
１１９・・・画像表示部，
１２０・・・二次電子減速電極，
１２１・・・二次電子減速電源，
１２２・・・電界シールド，
１２３・・・エネルギーフィルタＡ，
１２４・・・フィルタ電源Ａ，
１２５・・・検出器Ｂ，
１２６・・・画像処理部Ｂ，
２０１・・・ＥｘＢ電極，
２０２・・・ＥｘＢ磁場，
２０３・・・ＥｘＢコイル，
２０４・・・ＥｘＢ電場，
６０１・・・電極グリッド，
６０２・・・接地グリッドＡ，
６０３・・・接地グリッドＢ，
７０１・・・二次電子Ａ，
７０２・・・二次電子Ｂ，
９０１・・・導体，
９０２・・・絶縁膜，
９０３・・・導体より出射した二次電子，
９０４・・・絶縁膜より出射した二次電子，
１１０１・・・エネルギーフィルタＢ，
１１０２・・・フィルタ電源Ｂ，
１２０１・・・二次電子Ｃ，
１２０２・・・二次電子Ｄ，
１２０３・・・二次電子Ｅ，
１４０１・・・検出器Ｃ，
１４０２・・・画像処理部Ｃ，
１８０１・・・導体で発生した二次電子，
１８０２・・・絶縁膜で発生した二次電子のエネルギー分布，
１９０１・・・ＧＵＩ，
１９０２・・・一次電子エネルギー入力部，
１９０３・・・第一閾値入力部，
１９０４・・・ＳＥＭ画像表示部，
１９０５・・・ＳＥＭ画像選択ボタン，
１９０６・・・検出エネルギー範囲表示部，
２００１・・・第二閾値入力部，

Claims (10)

1. 荷電粒子線を発生させる荷電粒子源と、
   前記荷電粒子源からの前記荷電粒子線を偏向させる第一の偏向器と、
   前記荷電粒子線を収束させる収束レンズと、
   前記荷電粒子線が照射される試料を保持するステージと、
   前記試料または前記ステージに前記荷電粒子線を減速させるリターディング電圧を印加させる電源部と、
   前記試料からの二次電子を前記荷電粒子線の光軸外へ偏向する第二の偏向器と、
   電子のエネルギーに応じて電子を通過もしくは反射する第一のグリッドと、
   前記第一のグリッドを前記通過した前記二次電子を検出する第一の検出器と、
   前記第一のグリッドを前記反射した前記二次電子を検出する第二の検出器と、
   前記第一のグリッドを前記通過した前記二次電子と前記第一のグリッドを前記通過した前記二次電子とをそれぞれ偏向する磁場発生器と、
   を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１において、
   前記第二の偏向器と前記第一の検出器との経路間に、前記二次電子を減速させる減速電極を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項２において、
   前記リターディング電圧に応じて減速電極に印加する電圧を制御する制御部を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１において、
   電子のエネルギーに応じて電子を通過もしくは反射する第二のグリッドを有し、
   前記第二のグリッドは前記磁場発生器と前記第二の検出器との経路間に設けられることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項４において、
   前記第二のグリッドを前記反射した前記二次電子を検出する第三の検出器を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項４において、
   前記第二のグリッドで形成される電界の大きさは前記第一のグリッドで形成される電界の大きさよりも小さいことを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項１において、
   前記一次電子の光軸と前記磁場発生器との間に磁気シールドを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項１において、
   前記一次電子の光軸と前記磁場発生器との間に接地された導体の電界シールドを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項１に記載の荷電粒子線装置を用いた測長方法であって、
   前記第一の検出器で得られる信号で第一の画像を形成する工程と、
   前記第二の検出器で得られる信号で第二の画像を形成する工程と、
   前記第一の画像と前記第二の画像とのそれぞれから前記試料のパターン寸法を計測する工程とを含み、
   前記試料の寸法計測箇所が前記第一の画像と前記第二の画像とで異なっていることを特徴とする測長方法。
10. 請求項５に記載の荷電粒子線装置を用いた測長方法であって、
    前記第一の検出器で得られる信号で第一の画像を形成する工程と、
    前記第二の検出器で得られる信号で第二の画像を形成する工程と、
    前記第三の検出器で得られる信号で第三の画像を形成する工程と、
    前記第一の画像と前記第二の画像と前記第三の画像とのそれぞれから前記試料のパターン寸法を計測する工程とを含み、
    前記試料の寸法計測箇所が前記第一の画像と前記第二の画像と前記第三の画像とで互いに異なっていることを特徴とする測長方法。

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