JP2017016755A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、試料に集束される荷電粒子ビームの集束条件の適正な調整と、試料から放出される荷電粒子の軌道の適正な調整が可能な荷電粒子線装置の提供を目的とする。
【解決手段】
上記目的を達成するために、荷電粒子線装置において、試料から放出された荷電粒子の一部の通過を制限する通過制限部材（４０）と、当該通過制限部材と前記試料との間に配置され、前記試料から放出される荷電粒子の軌道を制御する第１のレンズ（５０）と、前記通過制限部材と前記荷電粒子源との間に配置され、第１のレンズの制御条件に応じて、前記荷電粒子ビームの集束条件を変化させる第２のレンズ（６０）を備えた荷電粒子線装置を提案する。
【選択図】図１５

Description

本発明は、荷電粒子線装置に係り、特に試料からの信号軌道の適正化と、試料に照射される荷電粒子ビームの照射条件の適正化の両立を実現する荷電粒子線装置に関する。

荷電粒子線装置の１つである走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ:ＳＥＭ）は、微細な対象物に対し、細く絞った電子ビームを走査することによって、試料から二次電子等を放出させ、当該二次電子等に基づいて、微細な対象物の観察、検査、或いは測定等を行う装置である。

特許文献１乃至３には、ＳＥＭの光学素子の１種であるレンズを制御する手法が説明されている。特許文献１には、試料に照射されるビームの開き角が広い方が、ビームの照射に基づいて形成される画像の分解能が高いことが説明されており、大きな開き角でビームを照射するために、所定の開き角αとなるように、試料に印加する電圧等を制御する制御手法が説明されている。特許文献２には、試料から放出された二次電子等の内、検出器の外側に向かって放出される電子の軌道を、検出器に方向づけるように集束するレンズを備えたＳＥＭが説明されている。また、特許文献３には、検出器と試料との間に配置されるエネルギーフィルタへの入射軌道を適正化するためのレンズを備えたＳＥＭが説明されている。

特許第５５５３４８９号（対応米国特許ＵＳＰ７，８８８，６４０） 特許第５４７８６８３号（対応米国特許ＵＳＰ８，７５９，７６１） 特許第５６６３４１２号（対応米国特許ＵＳＰ８，９４６，６４９）

試料に照射される荷電粒子ビームは、対物レンズによって集束されて試料に照射されるが、その際、試料表面にフォーカスを合わせておくことによって、高分解能画像を取得することが可能となる。深孔や深溝の底を測定するような場合には、試料表面ではなく、深溝や深孔の底にフォーカスを合わせることが望ましい。一方、深孔や深溝の底から放出される荷電粒子には、種々の方向に放出されるものが含まれており、荷電粒子ビームの照射方向と逆の方向に放出される荷電粒子は、深孔や深溝から脱出できるが、それ以外の方向に放出される荷電粒子には、深孔や深溝の側壁に衝突し、失われてしまうものがある。即ち、試料表面から放出される荷電粒子と比較すると、側壁に衝突する荷電粒子が存在する分、孔底等から放出される荷電粒子の方が、検出効率が低くなる。

このような前提で、深孔や深溝を含む視野領域の画像を取得する際、特定の放出角で放出される荷電粒子を選択的に検出することができれば、相対的に深孔や深溝の底を強調した画像を生成することができる。

深孔や深溝の径（幅）や深さによって、検出に適した放出角の範囲は異なるため、特許文献２、３に説明されているような二次電子を集束するレンズを用いて、特定方向の電子を選択的に検出器に導くことが望ましいが、一方で、このような集束条件の変化は、試料に照射される荷電粒子ビームの集束条件をも変化させてしまう。底部観察のために開き角を最適化しても、レンズ条件を調整することによって開き角が変化する可能性がある。特許文献１乃至３に開示の技術は、荷電粒子ビームの集束条件の適正化と、試料から放出される荷電粒子の軌道の適正化の両立を志向するものではない。

以下に、試料に集束される荷電粒子ビームの集束条件の適正な調整と、試料から放出される荷電粒子の軌道の適正な調整の両立を目的とする荷電粒子線装置について説明する。

上記目的を達成するための一態様として、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束する集束レンズと、当該集束レンズによって集束された荷電粒子ビームを集束して試料に照射する対物レンズを備えた荷電粒子線装置であって、前記試料から放出された荷電粒子の一部の通過を制限する通過制限部材と、当該通過制限部材と前記試料との間に配置され、前記試料から放出される荷電粒子の軌道を制御する第１のレンズと、前記通過制限部材と前記荷電粒子源との間に配置され、第１のレンズの制御条件に応じて、前記荷電粒子ビームの集束条件を変化させる第２のレンズを備えた荷電粒子線装置を提案する。

更に上記目的を達成するための他の一態様として、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束する集束レンズと、当該集束レンズによって集束された荷電粒子ビームを集束して試料に照射する対物レンズを備えた荷電粒子線装置であって、前記試料から放出された荷電粒子の一部の通過を制限する通過制限部材と、当該通過制限部材と前記試料との間に配置される第１のレンズと、前記通過制限部材と前記荷電粒子源との間に配置される第２のレンズと、前記試料に対する前記荷電粒子ビームの照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、前記第１のレンズと前記第２のレンズを制御する制御装置を備え、当該制御装置は、前記検出器の出力に基づいて生成される画像の１つ以上の部分が所定の状態となるように、前記第１のレンズを制御すると共に、当該第１のレンズの制御を維持しつつ、前記画像の１つ以上の部分が所定の状態となるように、前記第２のレンズを制御する荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、試料に集束される荷電粒子ビームの集束条件の適正な設定と、試料から放出される荷電粒子の軌道の適正な調整の両立が可能となる。

荷電粒子線装置の概略を示す図。 試料から放出された電子の軌道を説明する図。 試料から放出された電子の軌道を調整するレンズを動作させたときの電子の軌道を説明する図。 試料から放出された電子の軌道を調整するレンズを動作させたときの電子の軌道を説明する図。 凸状のパターンとそのＳＥＭ画像の一例を示す図。 ホールパターンの底部から放出された電子の軌道を説明する図。 試料から放出された電子の検出器に至るまでの軌道を説明する図。 試料から放出された電子の軌道を調整するレンズを動作させたときの電子の軌道を説明する図。 試料から放出された電子の軌道（放出角の定義）を示す図。 情報信号のエネルギーと放出角度との関係を示す図。 試料から放出された電子の軌道を調整するレンズとして、電磁界型制御レンズを採用した例を示す図。 試料から放出された電子の軌道を調整するレンズとして、静電型制御レンズを採用した例を示す図。 試料に照射される電子ビームの開き角と、試料から放出される電子の軌道との関係を示す図。 電子ビームの開き角と焦点位置の関係を示す図。 ２つの制御レンズによって変化する電子ビームの軌道を説明する図。 ２つの制御レンズのレンズ強度の関係を示す図。 ２つの制御レンズの調整工程を示すフローチャート。 立体構造部と平面部が混在する試料の一例を示す図。 立体構造部を含む試料のＳＥＭ画像の一例を示す図。 走査電子顕微鏡の装置条件を設定するためのＧＵＩ画面の一例を示す図。 ２つの制御レンズの調整工程を示すフローチャート。 レンズ強度と、フォーカス評価値との関係を示す図。

二次電子等の検出に基づいて形成される画像の解像度は、電子顕微鏡等の性能を評価する重要な指標値の１つであり、解像度が高い程、高精度な測定や検査を実現することが可能となる。電子ビームの焦点位置を、試料表面に適正に位置付けることによって、高い解像度の画像を形成することが可能となる。また、ビームの開き角が大きい程、高解像度となるため、焦点距離（対物レンズ主面と試料との距離、ワーキングディスタンスとも言う）を極力短くすることが望ましい。開き角とは、試料から対物レンズを見込んだ電子ビームの角度のことであり、電子ビームの理想光軸と試料に向かって集束するビームとの相対角である。

このように、高解像度の画像を取得するためには、大きな開き角をもってビームを集束させることが望ましい反面、深孔や深溝等の底部を観察する場合、開き角が大きなビームでは、深孔等の底部に適正に焦点を合わせることができない場合がある。

更に、深孔や深溝の底から放出される電子の中には、深孔等の側壁に衝突するものがある。深孔等を含む領域にビームを走査した場合、深孔等の底から放出される電子と、それ以外（例えば深孔を包囲する試料表面）から放出される電子が含まれることになる。このような状況のもと、深孔等の底部を強調した画像を形成するためには、例えば深孔の径がｄであり、深孔の深さがｈである場合、試料表面の垂線に対し、θ＝ｔａｎ^−１（ｄ／２ｈ）の角度範囲で放出される電子を選択的に検出することが望ましい。このような角度範囲で放出される電子は、理論的には深孔の側壁に衝突することなく、試料表面に放出される電子である。一方で、試料表面から放出される電子には、上記角度範囲に放出されるものと、それ以外の角度に放出されるものが含まれるため、上記角度範囲の電子を選択的に検出することによって、試料表面から放出される電子の検出量を抑制することができ、選択的検出を行わない場合と比較して、相対的に深孔等の底部を強調した画像を形成することが可能となる。

また、試料から放出される電子の軌道は、対物レンズの集束条件によっても変化するため、試料から放出される電子の軌道を適正に調整するための調整素子を設けることが望ましい。一方で、このような調整素子を用いた調整を行うと、電子ビームにも影響を与えることになり、レンズの集束条件を変化させてしまう場合がある。

以下に、電子ビーム等の荷電粒子ビームの集束条件の適正な設定と、試料から放出される荷電粒子の軌道の適正な調整の両立を可能とする荷電粒子線装置について説明する。

上記両立を実現するための一態様として、以下に、信号電子（試料から放出される電子）の軌道を制御する第１のレンズと、当該第１のレンズのレンズ条件の変化に応じて、荷電粒子ビームの集束条件を調整する第２のレンズを備えた荷電粒子線装置について説明する。

荷電粒子線装置には、ＳＥＭの他に集束イオンビーム装置がある。またＳＥＭを特定の目的に特化した装置として測長用電子顕微鏡（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ−ＳＥＭ：ＣＤ−ＳＥＭ）や、上流の検査装置にて得られた欠陥、異物、或いは測長値異常パターンを詳細に観察し、分析するレビュー用電子顕微鏡（レビューＳＥＭ）がある。

これらの装置を用いて、測定あるいは検査を行う場合、試料からの情報信号を効率良く検出器で検出する必要がある。情報信号が多いことで画質が向上し、それはスループットの向上につながる。いっぽう、ユーザーからは検査したいものの情報を、他とは区別して抽出したいという要望があり、それはつまり情報信号の弁別機能を強化して観察または検査を行う必要がある。

このように検査に必要な情報を抽出する手段として、エネルギーフィルターがある。エネルギーフィルターは試料から放出される荷電粒子のうち、特定のエネルギーを持つものを選択的に通過させる装置である。しかし検査の対象物の中にはエネルギーの弁別だけでなく、試料から放出される荷電粒子の角度に依存した情報を持つものが存在し、それが測定や検査に有効とされる場合がある。

図６は、深孔の画像４１と深孔の断面構造を示す図である。試料１３には、底部５９を有する深孔が設けられている。画像４１は、深孔と試料表面６０を含む領域に電子ビームを走査することによって得られるものである。底部５９から放出される電子の内、ある角度（図中のθ）より、試料表面に対する垂線に近い軌道を通過するもの（第１の角度範囲に放出される電子）は、深孔から脱出することができるが、θより大きな角度で放出されるもの（第２の角度範囲に放出される電子）は、深孔の側壁に衝突し、深孔から脱出することができない。一方、試料表面６０から放出される電子は、第２の角度範囲に放出される電子であっても、他部材に衝突することなく、上方に導かれるため、試料表面６０に対し、底部５９を強調するためには、第１の角度範囲に放出される電子を選択的に検出することが望ましい。

図５、図７は、凸状のパターンが形成された試料１３の画像例を示す図である。図５は、試料から放出された電子を角度制限なく検出することによって得られる画像例を示している。角度制限を行っていない分、検出される電子量は多いが、画像４１のような二次元像では、中央のパターンが凸状のパターンであるのか、凹状のパターンであるのか、その判断を行うことが難しい。一方、図７に例示する画像４１では、特定方向に放出される電子３３を検出器２１によって選択的に検出している。このような検出に基づいて得られる画像は、俯瞰像(Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ Ｉｍａｇｅ)であるため、パターンの凹凸判定を容易に行うことができる。

以下に、試料に照射される電子ビームの照射条件を適正に設定しつつ、特定方向に放出された電子、或いは当該特定方向に放出された電子が、他部材に衝突することによって生じる電子を高効率に且つ選択的に検出し得る荷電粒子線装置を図面を用いて説明する。

図１は荷電粒子線装置の一例であるＳＥＭの概要を示す図である。なお、以下の説明ではＳＥＭを例にとって説明するが、それに限られることはなく、以下に紹介する実施例は、他の荷電粒子線装置にも適用が可能である。

電子ビーム（１次荷電粒子線３６）を照射するための電子源１には、陰極２、当該陰極２から電子を引き出すための引出電極３、及び引出電極３によって引き出された電子を、試料１３に向かって加速する加速電極４が含まれている。陰極２には加速電圧Ｖ０が印加されており、接地電位である加速電極４との電位差によって、１次荷電粒子線３６は、加速エネルギーＶ０を持つ。電子源１から放出された１次荷電粒子線３６は、集束レンズ７、集束レンズ８、及び対物レンズ９によって、集束されて試料１３に照射される。また、電子ビームの理想光軸４３を通過する近軸電子ビームを選択的に通過させる絞り１５が、集束レンズ７と集束レンズ８との間に設けられている。各レンズは、レンズ電源５から供給される励磁電流（静電レンズの場合は印加電圧）を調整することによって、その集束条件を制御することができる。

試料１３は、試料ステージ１２上に配置され、試料ステージ１２は、試料ステージ１２を、少なくとも電子ビームの理想光軸４３に垂直な２方向に移動させる試料ステージ駆動機構２３に支持されている。レーザー干渉計１１は試料ステージ１２の位置を特定するために設けられている。更に、試料１３に負の電圧を印加するためαの負電圧印加電源１４が設けられている。負電圧印加電源１４の印加電圧を調整することによって、１次荷電粒子線３６の試料への到達エネルギーを制御することが可能となる。

偏向器１６ａ、１６ｂは、１次荷電粒子線３６を試料１３上で一次元的、或いは二次元的に走査するために設けられており、また、偏向器１６ａ、１６ｂを制御する走査信号発生器２４から供給される走査信号と、後述する検出器の出力信号を同期させることにより、信号波形（ラインプロファイル）や二次元画像を生成することができる。

図１に例示する荷電粒子線装置には、２つの検出器２１、５１が設けられており、試料１３から放出された２次電子（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ：ＳＥ）、或いは後方散乱電子(Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ：ＢＳＥ)や、電子ビームの通過開口を備えた制御板４０に、２次電子等が衝突することによって発生する新たな２次電子（３次電子）を検出することができる。なお、図１に例示する荷電粒子線装置は、２次電子等が、制御板４０に衝突することによって発生する３次電子を検出することによって、間接的に試料から放出された電子を検出する間接検出器である検出器５１と、試料１３から放出された電子を直接的に検出する直接検出器である検出器２１を採用しているが、この組み合わせに限られることはなく、必要に応じて検出器の種類を変えるようにしても良い。直交電磁界発生器２０は、１次荷電粒子線３６を偏向させることなく、試料１３から放出された電子を検出器２１に向かって偏向することができる。

検出器２１、５１の出力は、増幅器６によって増幅され、画像処理部３７に供給される。画像処理部３７は、増幅された信号を積算することによって、信号波形や二次元画像を生成し、これら信号を記憶部２７に記憶する。また、二次元画像を像表示装置３２に表示させることができる。

荷電粒子線装置の各構成要素は、制御部３１（制御装置）によって制御され、特に後述するような制御を実行する。

更に、図１に例示する荷電粒子線装置には、集束レンズ７、８、或いは対物レンズ９の他にレンズ５０（第１のレンズ）、及びレンズ６０（第２のレンズ）が備えられている。これらのレンズを用いた光学条件調整の具体例について、以下に説明する。

図６のような立体構造の底部５９の高精度測定や検査を行う場合、１次荷電粒子線３６の焦点を底部５９に合わせる必要がある。より具体的には、図１４（ｂ）のように大きな開き角を持ってビームを集束するのではなく、図１４（ａ）のように開き角を相対的に鋭角にすることによって、底部５９にビームが到達する前に、ビームが試料に干渉しないようにすることが望ましい。図１４（ａ）に例示するように、深さがｈであり、径がｄのホールの底部５９の測定や観察を行う場合には、ビームの開き角ｉ（１）＝ｔａｎ^−１（ｄ／２ｈ）とすることができれば、分解能の低下を抑制しつつ（開き角の鋭角化を抑制しつつ）、底部５９に焦点を合わせることができる。

本実施例では、図１４（ｂ）に例示するように、オートフォーカス等によって調整されたビームの開き角が、αｉ（２）である場合に、その開き角をαｉ（１）に調整する例について説明する。本実施例では、図１３に例示するように、レンズ５０を用いて開き角を調整する。一方、レンズ５０の集束作用は１次荷電粒子線３６だけでなく、情報信号３３（試料から放出される電子）にも影響する。レンズ５０は、１次荷電粒子線３６だけではなく、情報信号３３をも集束させる。

反対に初期状態に対して、１次荷電粒子線３６を発散させるようにレンズ５０を制御すると、図４に例示するように情報信号３３も発散する。

図６のような試料を観察・検査する場合、前述したように穴底５９の情報信号を弁別して観察する他に、穴底５９と表面６０を同時に観察・検査したいという要望もある。このとき、穴底５９からの信号を効率良く検出するためには、１次荷電粒子線３６を穴底５９に照射する必要がある。このとき１次荷電粒子線３６のビーム直径が穴径ｄと同じであれば、高さｈの間はビームのぼけが発生しない。つまり深さ方向の分解能はｈである。以下、深さ方向の分解能を「焦点深度」と呼ぶ。一方、図１４（ｂ）のような開き角αｉが大きい条件では、１次荷電粒子３６が穴底まで届かず、また焦点深度も不足する。つまり、この光学条件は深さのある試料の観察には向かないといえる。

図３は、レンズ５０を用いて、情報信号３３を集束する例を示す図である。試料１３から放出された情報信号３３は、集束作用を有するレンズ５０によって軌道が制御される。例えば光軸４３上に情報信号３３の軌道を制限するような電極４０がある場合は、その穴径を情報信号３３が通過するようレンズ５０の強さをと制御する。穴を通過した情報信号３３は検出器２１に導かれ検出される。この場合のレンズ５０の収束強度は、検出器２１で検出したい情報信号３３の放出角度に依存する。鮮明度の高い情報を得たい場合は、特定方向に放出される信号を高効率に検出するようレンズ５０の強度を制御する。つまり検出器２１で検出したい情報信号３３に応じてレンズ５０の強度を制御する。

図４に情報信号の軌道を発散するように、レンズ条件を制御したときの電子の軌道を示す図である。試料１３から放出された情報信号３３は、発散作用を有するレンズ５０によって軌道が制御される。１次荷電粒子３６を制御するレンズ５０による作用が、情報信号３３にとって最適でない場合もある。例えば、情報信号３３への集束作用が不足する場合や、反対に集束しすぎる場合もある。よって、レンズ５０の他にレンズ６０を設けて、１次荷電粒子線３６および情報信号３３の各々の制御が可能になるような構成が必要になる。

本実施例では、主に深孔や深溝の底部に焦点を合わせつつ、試料から放出される電子の内、特定角度に放出される電子を選択的に検出することができる荷電粒子線装置について説明する。上述したように、電子を集束するためのレンズは、試料に照射される電子ビームだけではなく、試料から放出される電子の軌道をも変えてしまう。仮に、孔底に電子ビームの焦点が合ったとしても、その際のレンズの集束条件が、所望の試料放出角の電子を選択的に検出するための集束条件に合致していなければ、孔底等を高精度に測定、或いは検査することは難しい。本実施例では、主に深孔や深溝等の底部を高精度に測定、或いは検査を可能とする荷電粒子線装置について説明する。

ここで情報信号３３の制御方法について述べる。図３、４に示すように、レンズ５０の強度によって、制御板４０（電極や絞り、或いは試料から放出された電子の一部の通過を制限する通過制限部材と称することもある）の穴径を通過する情報信号３３の放出角度を制御することができる。つまり観察・検査の対象物または方法が決まればレンズ５０の制御方法が決まる。例えば、図５のような試料の画像を得る場合を説明する。鮮明な画像を得ようとする場合には、極力多くの情報信号３３が制御板４０を通過できるようなレンズ条件とすれば良い。図３のように検出する検出器２１方向に情報信号３３が集束して導かれるように軌道を制御する。

一方、上述のように情報信号３３を適切に弁別することで、必要な情報を強調した画像が得られる。例えば図６のように、試料１３の穴底部５９から放出された情報信号３３の内、試料表面の垂線に対し、θ＝ｔａｎ^−１（ｄ／２ｈ）の角度範囲に放出される電子を選択的に検出することによって、穴底を強調した画像を得ることができる。ただし、試料１３が帯電している場合は、それによって信号軌道が影響を受けるため、取り込みたい情報信号３３が検出器２１に届かない可能性がある。例えば図２のように、試料１３からの情報信号３３の軌道を予め計算で求めておけば、制御板４０の穴径が決まり、必要な情報信号３３が弁別されて検出器２１に導かれる。図示していないが、情報信号３３が試料１３の帯電の影響を受けて信号軌道がこの通りでないと、期待する信号弁別が出来ず、欲しい情報を強調する画像が得られない。

また、図７のように、凹凸を有する試料１３の画像化を行う場合に、情報信号３３の弁別を行うことが望ましい。図６に例示したケースと比較すると、特定の方向（例えばπ−θ方向）の情報信号３３を弁別して画像化すると、特定方向のエッジが強調された画像が得られる。この特徴を利用して、情報信号３３の特性だけでなく、検出器２１の位置や方向によって、試料１３が凹または凸であるのかの判定に用いることができる。なお、本実施例では、図９に示すように試料１３に対して光軸４３と同方向（垂直方向）を０度としてθを定義する。

一般的に試料１３からの情報信号３３の出射方向θだけでなく、そのエネルギーによっても異なる画質が得られることがわかっているため、例えば図１０に示すように、必要なエネルギーと角度の領域Ｂの情報信号で像を形成したい場合は、前述した方法に加え、図８のように検出器２１の前段にエネルギーフィルター５５または５６を設けることが有効である。このエネルギーフォルターを情報信号３３が通過することで、エネルギー弁別された信号電子３３が検出器２１あるいは５１に到達する。エネルギーフィルター５５は電圧を印加することで、検出器２１に到達する情報信号３３を制限するものである。

レンズ５０は図１１に示すように磁場型レンズ、または図１２に示すように電極型レンズで構成される。図１２に示すように電極型の場合は印加する電圧によって情報信号３３を収束または発散（図中の破線矢印）させることが可能である。立体構造のような深さのある試料を観察・検査するために、開き角αｉと一次荷電粒子３６の径、つまり分解能の制御が必要であることは明らかである。更に、信号電子を効率よく検出し、鮮明な画像を得るためには検出する信号量を増やす必要がある。検出する信号量を増やす手段として、１つは情報信号３３の軌道を制御して多くの情報信号３３を検出する方法がある。もう１つは照射する荷電粒子線量を増やす方法である。式１は、荷電粒子線（電子ビーム）の照射電流Ｉｐと試料上の開き角αｉの関係を表す演算式である。

Ｉｐ＝Ｂ（ｄ・π・αｉ）^２ ・・・（１）
Ｂ：電子源の輝度
ｄ：ビーム径
これより、照射電流Ｉｐを増加させるには、開き角αｉを大きくすることが有効であることがわかる。なお、Ｂは電子源によって決まる値である。

一方、焦点深度を深くするためにはαｉを小さくすることが有効であることから、照射電流の増加させることと焦点深度を深くすることはトレードオフの関係にあることがわかる。これより、立体構造の検査では開き角αｉを鋭角にし、情報信号をコンロトールし、かつ分解能を意味するビーム直径を増大させない光学条件が必要になる。

前述したように所定の開き角αｉになるように、１次荷電粒子線３６の条件を決めたとしても、情報信号３３の軌道を制御するためにレンズ５０を動作させると、所定の開き角ではなくなる。

そこで図１５に示すように、レンズ５０の他にレンズ６０を設けて、情報信号３３軌道だけでなく１次荷電粒子線３６軌道の制御も可能にする。図１５にその詳細図を示す。情報信号３３については先に述べた通り、レンズ５０でもって軌道を制御する。情報信号３３の軌道を最適化したときに、１次荷電粒子線３６の軌道つまり光学条件が観察・検査に最適であるとは限らない。そこでレンズ６０によって、１次荷電粒子線３６の軌道の最適化、つまり開き角の制御を行う。

図１５に例示するように、試料から放出された電子の通過を部分的に制限する制御板４０と試料１３との間に、レンズ５０を配置すると共に、対物レンズの物点と制御板４０との間に、レンズ６０を配置することによって、電子ビームの集束条件の適正化と、試料から放出される電子の軌道の適正化の両立を実現することができる。具体的には、制御板４０の開口（電子ビーム通過開口）を、所望の放出角の電子が選択的に通過できるように、レンズ５０を制御すると共に、レンズ５０の条件変化に伴う電子ビームの集束条件の変化を補償するように、レンズ６０を制御する。

レンズ６０は、制御板４０より電子源側に配置されており、試料から放出された電子は、制御板４０を用いた角度弁別が行われた後に、集束されるため、角度弁別条件を変えることなく、電子ビームを集束させることが可能となる。また、レンズ６０は、対物レンズ９の物点より試料１３側に配置されているため、レンズ５０の調整によって変化した電子ビームの物点位置を元に戻すことができる。なお、制御板４０に変えて、直接検出器を配置するようにしても良い。

以下に、制御方法の一例を説明する。例えば、まず、検査する試料１３の状態に応じた、最適な光学系を選択する。例えば、オートフォーカスを実行することにより、図１４（ｂ）に例示するように、試料表面に焦点が合うような場合は、再調整を行い、底部５９に１次荷電粒子線３６の焦点が合うように、対物レンズ９等のレンズ条件を調整する。このときの電子ビームの開き角は、図１４（ａ）に例示するようにαｉ（１）（例えば５［ｍｒａｄ］）となる。次に検出系の条件を選択する。底部５９からの情報を主に画像化するため検出器２１を選択する。図３あるいは図４に示すように必要な情報信号３３のみを制御板４０を通過させるようレンズ５０を制御すれば、効率良く検出器２１で検出できる。底部５９の情報信号３３を画像化し、所望のコントラストや画質が得られるようレンズ５０を制御する。しかしこの時、レンズ５０の作用は１次荷電粒子線３６にも作用するため、前述したαｉ（１）（５［ｍｒａｄ］）を維持しているとは限らない。

つまり１次荷電粒子線３６制御のためのレンズ６０は、レンズ５０と連動する必要がある。例えば図１６のようにレンズ５０とレンズ６０の連動の関係が予め計算でわかっていれば、制御が簡素化される。ここではレンズ５０およびレンズ６０は静電型と仮定し、グラフは印加電圧で表示してある。電磁界型の場合はコイルに流す電流値による制御になる。

一方、試料１３の形態が把握できたとしても、試料の素材やその電気的特性が特定できない場合もある。その場合、図１６のような制御関数では制御不足になる。よって、画像を見ながら、最適化をする必要がある。制御の流れを図１７に例示する。まず検査・観察する試料の形態を把握する（Ｓｔｅｐ１０１）。次に最適な光学条件を選択する（Ｓｔｅｐ１０２）。Ｓｔｅｐ１０１とＳｔｅｐ１０２より、最適な検出条件が選択される（Ｓｔｅｐ１０３）。画像を取得して所望の画像が得られていることを確認する（Ｓｔｅｐ１０４）。観察・検査に適した画像であるかを確認し、検査の可否を判断する（Ｓｔｅｐ１０５）。可であると判断すれば検査を実施する（Ｓｔｅｐ１０９）。しかし、Ｓｔｅｐ１０５で何らかの理由で検査否と判断した場合は、まず情報信号３６の軌道を調整して、画質の調整を実施する（Ｓｔｅｐ１０６）。次にレンズ６０を制御して、Ｓｔｅｐ１０２で選択した光学条件になるようにする（Ｓｔｅｐ１０７）。

図１８に１つの試料の中で、立体構造部と平面部が混在する場合を示す。このとき各部位で検査に最適な光学条件が異なる。領域２０１は試料表面の検査を実施し、領域２０２は立体構造の例えば底部の検査を実施する場合は、同じ光学条件での検査は難しい。例えば領域２０１のような試料表面の検査の場合は分解能が良い光学条件が適しているのに対し、領域２０２の立体構造の底部を検査する場合は図１４（ａ）のようにビーム形状が鋭角で１次荷電粒子線３６が底部５９に届くような光学条件が良い。この異なる条件で同時に検査を実施するために、光学条件を領域毎に高速に切り替える必要である。レンズ５０やレンズ６０が図１２のような静電型レンズの構成であればそれが可能になる。図１１の電磁界型レンズの場合、応答性が課題になり、高速切り替えには不向きである。

光学条件の切り替えが出来ないと、各々の条件で１枚ずつ画像を取得し、検査することになり、検査の結果を得るまでに時間がかかる。検査装置に要求されるものの１つにスループットの向上があるため、検査の高速化は必須である。
図１９にそれによって得られる画像例を示す。実際には領域２０１は試料の表面に焦点があった像が、領域２０２に底部５９に焦点があった画像が得られる。これによって、１枚の画像で検査が可能になる。

次に、より具体的なレンズ５０、６０の調整機能を備えた荷電粒子線装置の概要について説明する。図２０は像表示装置３２に表示されるＧＵＩ(Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ：ＧＵＩ)画面の一例を示す図である。制御部３１は、ＧＵＩ画面での設定情報に基づいて、電子顕微鏡の各構成要素の制御を行い、画像処理部３７は所定の画像処理や演算処理を実行する。図２０に例示するＧＵＩ画面には、測定や検査の対象となる対象パターン（ターゲット）の情報を入力する入力ウィンドウ２００２、測定条件情報を入力する入力ウィンドウ２００３、ＳＥＭ画像（或いはレイアウトデータ）上で、所望の位置に設定される興味領域（Ｒｅｇｉｏｎ Ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ：ＲＯＩ）の条件を入力する入力ウィンドウ２００４、及びＳＥＭ画像表示領域２００５が設けられている。ＳＥＭ画像表示領域２００５には、画像処理部３７から出力されたＳＥＭ画像が表示される。図２０の例では、ＳＥＭ画像表示領域２００５には、ｙ方向に長い溝状のパターンが表示されている。

入力ウィンドウ２００２には、対象パターン名とそのパターンの座標を選択、或いは入力する入力部が設けられており、制御部３１は当該入力部での設定に基づいて、電子ビーム走査位置に対象パターンを位置付けるように、試料ステージ１２や図示しない視野移動用のビーム偏向器を制御する。また、入力ウィンドウ２００３には、パターンの種類、測定目的、及び測定に用いられる具体的な測定アルゴリズムを選択、或いは入力するための入力部が設けられている。パターンの種類とは、例えば半導体デバイス上に形成されるラインアンドスペースパターン、ホールパターン等である。また、パターンの種類を入力する入力部での入力、或いは選択に応じて、パターンの種類に応じた測定目的や測定アルゴリズムを、それらを入力する入力部で選択可能とするようにしても良い。測定目的を入力する入力部では、例えばパターンの種類がラインアンドスペースパターン（ラインパターンが均等配列されたパターン）であれば、ライン幅、スペース幅、或いはピッチ等の測定目的を選択、或いは入力する。また、パターンの種類がホールパターンであれば、ホール底の径、ホール上部の径、或いはホールの中間層の径等が測定目的となる。

また、測定アルゴリズムを設定する入力部では、例えばＳＥＭ画像に基づいて形成されるラインプロファイルを用いた具体的な測定アルゴリズムを選択、或いは入力する。より具体的には、しきい値法等のエッジ間の寸法を測定するためのアルゴリズムが選択される。

入力ウィンドウ２００４では、ＳＥＭ画像表示領域２００５に表示されたＳＥＭ画像上にて設定されるＲＯＩの具体的条件（ＲＯＩの位置やサイズ）を設定する。図２０に例示されたＳＥＭ画像表示領域２００５には、２つのエッジ２００７に挟まれた溝状のパターンが表示されている。更に、溝の底部には、材料Ａからなる部位２００８と、材料Ｂからなる部位２００９が存在する。例えば、測定の目的が部位２００８のｙ方向の寸法である場合は、部位２００８と部位２００９の画質が良好となるように、装置条件を設定すれば良い。また、測定目的が溝底に位置するパターンだけではなく、溝の幅（２つのエッジ２００７間の試料表面上の寸法）も測定したい場合には、底部だけではなく、試料表面２００６の画質も合わせて調整する必要がある。

図２０に例示するＧＵＩ画面では、測定目的に応じた適正な光学条件設定を行うために、例えば測定目的について「パターン底部」、「パターン底部と試料表面」、「試料表面」のような設定を可能としている。例えば測定目的として「底部」が選択された場合には、底部を選択的に包囲するＲＯＩ２０１０を、ＳＥＭ画像に重畳表示させ、測定目的として「パターン底部と試料表面」が選択された場合には、ＲＯＩ２０１０に加えてＲＯＩ２０１１をＳＥＭ画像に重畳表示させる。このように、測定を希望する高さに応じた数のＲＯＩを設定可能とすることによって、測定目的に応じた適切な光学条件の設定が可能となる。

なお、本実施例では、画質評価を行うための領域（ＲＯＩ）を任意に設定するためのＧＵＩ画面について説明するが、予め測定対象の画像等が存在する場合には、その画像に基づいてテンプレートを形成し、当該テンプレートを用いたパターンマッチングを行うことによって、自動的にＲＯＩを抽出するようにしても良い。

次に、図２０に例示したＧＵＩ画面によって設定された条件に基づいて、光学条件を設定する工程を、図２１に例示するフローチャートを用いて説明する。まず、ＳＥＭ画像を取得するための初期の光学条件を設定する（ステップ２１０１）。ここでは、オートフォーカスによって、フォーカス条件を調整し、調整されたビームを走査することによって得られる画像を取得する（ステップ２１０２）。そして、取得された画像上でＲＯＩを設定する（ステップ２１０３）。ＲＯＩの設定は、ウィンドウ２００４に対する数値入力、ポインタ２０１２を用いた領域指定、或いは設定データ等を用いて予め設定されたＲＯＩ設定条件に基づく自動選択のような手法が考えられる。

次に、ＲＯＩが設定された領域について、その画質を評価する（ステップ２１０４）。ここでの画質評価は、レンズ５０の条件調整に反映されるため、測定目的が「底部」である場合は、「底部」に割り当てられたＲＯＩ内の画質評価を行い、測定目的が「底部」と「試料表面」である場合は、それぞれに割り当てられたＲＯＩの画質評価を行う。図６に例示するホールパターンの底部にＲＯＩが設定されている場合、放出角θより大きな放出角の電子を除外し、放出角θ内の放出電子を選択的に検出ことによって、ホール底が強調された画像を形成することが可能となる。また、測定目的が「底部」と「試料表面」になっている場合は、双方に割り当てられたＲＯＩの画質が所定の条件を満たすか否かの判定を行う。

以上のようにしてＲＯＩ内の画質評価を行い、その画質が不適切である場合には、レンズ５０を調整し（ステップ２１０５）、再度、ＲＯＩの画質評価を行う。なお、図２１のフローチャートでは、レンズ調整を行う度に、ＲＯＩが所定条件を満たすか否かの判定を行っているが、これに限られることはなく、例えば、レンズ５０を複数の条件に設定して画像形成を行い、ＲＯＩの画質が最も良いレンズ５０の条件を選択するようにしても良い。また、底部から放出される電子は、試料表面から放出される電子と比較すると、相対的に数が少ないため、「底部」の画質が最も良いレンズ条件と、「試料表面」の画質が最も良いレンズ条件が異なるため、「底部」の画質が最も良いレンズ条件が、「試料表面」の画質にとっても許容可能なレンズ条件であるのであれば、そのレンズ条件を選択すると良い。

図２０に例示するようなパターンの場合、ＲＯＩ２０１０を、部位２００８と部位２００９に跨るように設定し、両部位間のコントラスト（輝度差）が所定の条件を満たすか否か（輝度差が所定値以上か否か）を評価基準とする画質評価を行う。このような評価を行うことによって、部位２００８の寸法を測定するときの光学条件を見出すことが可能となる。更に、ＲＯＩ２０１１とＲＯＩ２０１０の輝度差が最も小さいレンズ条件（即ち、底部から放出される電子が最も多いと考えられるレンズ条件）を、レンズ５０の条件として設定することも考えられる。また、コントラストに加えて、ＳＮ比を評価用のパラメータとして画質評価を行うようにしても良い。底部の画質が良くなる条件は、試料表面の画質を低下させる条件である可能性もあるため、試料表面のコントラストやＳＮ比をある閾値以上としつつ、底部のコントラストを最大化するようなレンズ条件とするようにしても良い。

入力ウィンドウ２００４にて設定されるパターンの特徴に応じて、各ＲＯＩの画質評価条件（評価パラメータや閾値等）を自動設定するようにしても良い。上述したように底部は、試料表面と比較すると検出可能な電子の数が少ないため、試料表面と同等のコントラストを得ることは困難である。そのため、特に複数のＲＯＩを設定する場合、ＲＯＩが設定された部位に応じた画像評価基準を設定可能とすることが望ましい。例えば、入力ウィンドウ２００４にて溝の底にＲＯＩを位置付ける設定を行った場合には、試料表面にＲＯＩを設定する場合と比較して、許容コントラストの閾値が小さな評価基準を自動で設定すること等が考えられる。

レンズ５０の調整が適正に行われた後に、当該レンズ５０の状態を維持しつつ、次にＲＯＩが設定された底部（試料表面にもＲＯＩが設定されている場合には試料表面も含めて）のフォーカス状態を評価する（ステップ２１０６）。フォーカスの状態は例えば、ＲＯＩ内の鮮鋭度（ｓｈａｒｐｎｅｓｓ）のようなフォーカス評価値を求め、当該評価値が最も高い、或いは所定値以上となるように、レンズ６０の調整を実行する（ステップ２１０７）。このとき、測定目的がパターン底部の寸法だけである場合（ＲＯＩがパターンの底部のみに設定されている場合）には、パターンの底部にフォーカスが合うようにレンズ６０の調整を行う。より具体的には、レンズ５０の調整によって、フォーカスがずれるため、対物レンズによって、試料にフォーカスを合わせた後、底部を観察することによって、レンズ６０を調整する。この場合、底部の画像条件が所定の条件を満たすまで、底部の観察とレンズの調整を繰り返すような処理を行う。

また、パターン底部と試料表面の双方を測定対象とすべく、２以上のＲＯＩが設定されている場合には、双方のＲＯＩのフォーカス評価値が所定の条件を満たすようにレンズ６０の条件を設定する。具体的には、図２２に例示するように、２つのＲＯＩの評価値が所定値以上であって、２つの評価値波形のピーク間中心に相当するレンズ強度（例えばＲＯＩ１の評価値波形２２０１とＲＯＩ２のフォーカス評価値波形２２０２の交点２２０３のフォーカス評価値Ｉ_１）となるレンズ６０の条件を設定する。なお、ここでの評価値とは、画像の鮮鋭度等のジャストフォーカスに近い程、大きな値を示す指標値である。このような調整を行うことによって、視野内に異なる高さの複数の部位が存在していたとしても、各部位に応じたフォーカス条件での測定を行うことが可能となる。

なお、２つの波形の交点が所定の閾値（Ｔｈ）に到達しない場合は、現在のレンズ５０の条件では、試料表面と底部の双方にフォーカスを合わせることが困難、或いは孔が深すぎて試料表面と底部の双方に同時にフォーカスを合わせることが困難である場合が考えられるため、レンズ５０の条件を見直して、再度、レンズ５０のレンズ条件の調整を行うよう操作者に促すようなメッセージ、或いは試料表面と底部の双方に同時にフォーカス調整ができない旨のエラーを像表示装置３２に表示させるようにしても良い。

レンズ６０は、制御板４０（試料から放出された電子の軌道を制限する軌道制限用アパーチャ）より電子源側に配置されているため、制御板４０による角度弁別条件に影響を与えることがない。よって、レンズ５０の設定によって適正化された角度弁別条件を変えることなく（レンズ５０の設定状態を維持しつつ）、測定対象となる部位に対するフォーカス条件を適正化することが可能となる。なお、一般的な電磁界レンズは凸レンズであり、集束の強度の調整はできるものの、逆に電子ビームを発散させることができない。一方、レンズ５０の調整によって、変化する電子ビームの集束条件を補正するために、集束だけではなく、電子ビームを発散させる必要がある場合も考えられる。そこで、ステップ２１０１にて、レンズ６０をある程度、励磁しておくことで、初期状態に対し、相対的に電子ビームを発散できるような光学条件を用意しておくことが望ましい。この場合、例えば、ステップ２１０１にて、対物レンズ９とレンズ６０で協働して、オートフォーカスを行うことによって、レンズ６０をある程度励磁した状態にする。

以上のような工程を経て調整されたレンズ５０、レンズ６０のレンズ条件が所定の条件を満たすか否かを、画像を取得して判定（ステップ２１０８）し、所定の条件を満たす場合には、設定されたレンズ条件を撮像レシピとして登録、或いは当該レンズ条件をもって測定、或いは検査を開始する（ステップ２１０９）。

図２０に例示するような入力画面を有する入力装置と、当該入力装置によって入力された条件に基づいて、図２１に例示するような調整を実行するプログラムが記憶された制御部３１、及び画像処理部３７（演算装置）によれば、操作者は試料から放出される電子の軌道演算等を行うことなく、適正な光学条件に基づく高精度測定、或いは高精度検査を行うことが可能となる。

１：電子銃、２：電子源、３：引出電極、４：加速電極、５：レンズ電源、６：電界制御部、７：レンズ、８：レンズ、９：対物レンズ、１０：クロスオーバ、１１：位置モニター用測定装置、１２：試料ステージ、１３：試料、１４：可変減速電源、１５：絞り、１６a，１６b：偏向器、１７：電極、１８：電極、１９：電圧制御部、２０：直交電磁界発生器、２１：検出器、２２：制御部、２３：ステージ駆動装置、２４：走査信号発生装置、２７：記憶部、３１：制御部、３２：像表示装置、３３：情報信号、３４：情報信号、３６：１次ビーム、３７：画像処理部、４０：制御板、４１：画像、４３：光軸、４４：制御部、５０：制御レンズ、５１：制御レンズ、５５：エネルギーフィルター、５６：エネルギーフィルター、５７：電磁界型レンズ、５８：静電型レンズ、５９：立体構造の底部、６０：試料の表面

Claims (10)

1. 荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束する集束レンズと、当該集束レンズによって集束された荷電粒子ビームを集束して試料に照射する対物レンズを備えた荷電粒子線装置において、
   前記試料から放出された荷電粒子の一部の通過を制限する通過制限部材と、当該通過制限部材と前記試料との間に配置され、前記試料から放出される荷電粒子の軌道を制御する第１のレンズと、前記通過制限部材と前記荷電粒子源との間に配置され、第１のレンズの制御条件に応じて、前記荷電粒子ビームの集束条件を変化させる第２のレンズを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１において、
   前記対物レンズの物点と、前記通過制限部材との間に、前記第２のレンズが配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１において、
   前記試料から放出され、前記通過開口制限部材を通過した荷電粒子、或いは当該荷電粒子が他部材に衝突することによって発生する新たな荷電粒子を検出する検出器を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１において、
   前記通過制限部材は、前記荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームが通過する開口を備えていることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束する集束レンズと、当該集束レンズによって集束された荷電粒子ビームを集束して試料に照射する対物レンズを備えた荷電粒子線装置において、
   前記試料から放出された荷電粒子の一部の通過を制限する通過制限部材と、当該通過制限部材と前記試料との間に配置される第１のレンズと、前記通過制限部材と前記荷電粒子源との間に配置される第２のレンズと、前記試料に対する前記荷電粒子ビームの照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、前記第１のレンズと前記第２のレンズを制御する制御装置を備え、
   当該制御装置は、前記検出器の出力に基づいて生成される画像の１つ以上の部分が所定の状態となるように、前記第１のレンズを制御すると共に、当該第１のレンズの制御を維持しつつ、前記画像の１つ以上の部分が所定の状態となるように、前記第２のレンズを制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項５において、
   前記対物レンズの物点と、前記通過制限部材との間に、前記第２のレンズが配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項５において、
   前記制御装置は、前記画像の１つ以上の部分のコントラストが所定の条件を満たすように、前記第１のレンズを制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項５において、
   前記制御装置は、前記画像の１つ以上の部分のコントラストが所定の条件を満たすように、前記第１のレンズを制御し、更に、前記画像の１つ以上の部分のフォーカス評価値が所定の条件を満たすように、前記第２のレンズを制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項５において、
   前記制御装置は、前記画像内の第１の部分と第２の部分のいずれもが所定の画像状態となるように、前記第１のレンズを制御し、更に前記第１の部分と第２の部分のいずれもが所定の画像状態となるように、前記第２のレンズを制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 請求項９において、
    前記制御装置は、前記画像内の第１の部分と第２の部分の画像のコントラストが所定の状態となるように、前記第１のレンズを制御し、当該第１のレンズ状態を維持しつつ、前記第１の部分と第２の部分のフォーカス評価値が所定の条件を満たすように、前記第２のレンズを制御することを特徴とする荷電粒子線装置。

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