JP2018022561A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速なパルス形成を行うような場合であっても、試料上における一次荷電粒子線の照射位置ずれを防止可能な荷電粒子線装置を提供する。
【解決手段】荷電粒子源１０１と、荷電粒子光学系に挿入され、荷電粒子線１０２の進行方向を荷電粒子光学系の光軸外に偏向させ、或いは荷電粒子光学系の光軸内に偏向させるセパレータ１０３と、荷電粒子光学系の光軸外に偏向された荷電粒子線を吸収、或いはセパレータの方向へ反射する荷電粒子線照射切替器１０４と、荷電粒子線照射切替器を制御する制御装置１１０と、を有する荷電粒子線装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、荷電粒子線装置に関する。

試料の微細な形状の観察や局所的な組成分析などに、試料上に電子線やイオンビームなどの荷電粒子線を照射し、発生した二次電子等の二次荷電粒子の信号を取得する荷電粒子線装置が使われている。このような荷電粒子線装置の一つとして、走査電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ)が使用されており、その分解能の高さから、たとえば、半導体や磁気ディスクの製造プロセスにおいて形成されたパターンの形状や寸法の測定、及び欠陥の有無の判定に適用されている。

荷電粒子線装置において、試料が絶縁体である場合には、荷電粒子線の照射によって試料の表面が帯電することがある。ＳＥＭにおいては、帯電が発生すると、電子線に対して予期せぬ偏向等の作用を及ぼし、画像のドリフトやシェーディング等の像障害が発生する。再現性の高いＳＥＭ観察を行うためには、この帯電現象を回避することが重要である。このような帯電現象を回避する方法の一つとして、電子線をパルス状にして試料への照射と非照射を切り替えることによって、電子線の照射量とそのタイミングを制御する方法が適用されている。例えば特許文献１には、電子線をパルス状に照射するためのパルスゲートを備え、電子ビームの間引き走査により帯電現象を抑制する手法が開示されている。

また、特許文献２には、電子線発生部の電極に加速電圧より高い負電圧を印加することによって電子線を追い返す機能を備え、電子線の照射と非照射を切り替える手段が開示されている。

特開平４−１７２４８号公報 特開平１１−１０１８９６号公報

電子線のパルス化は、最も一般的には、特許文献１に記載されているように偏向器を用いて絞りの上で電子線を偏向し、その通過或いは遮断により試料への電子線の照射と非照射を切り替えることによって実現されている。しかしながら、今後更なる要求が高まると思われる微細構造を有する試料への電子線パルス照射の際の課題について発明者等が検討した結果、この方法では、照射から非照射、あるいは非照射から照射に切り替えるその過渡状態において、試料上での電子線の到達位置が変動すること、特に、高速なパルス形成を行う場合には、配線に基づく浮遊容量やインダクタンスの影響で信号波形にオーバーシュート或いはアンダーシュートが発生するため、到達位置の変動が無視できなくなる恐れのあることが判明した。すなわち、不要な電子線照射が起こるため、予期しない帯電や試料へのダメージを引き起こす恐れがある。

特許文献２に示された方法においては電子線を偏向しないため、試料上での到達位置の変動は発生しない。しかしながら、照射と非照射の切り替えの際に、加速電圧相当、例えば５ｋＶ等の大きな電圧変化を電極に与える必要がある。この電圧変化が大きいほど電子線の照射／非照射の切り替え信号の発生が難しくなり、電源装置のコスト増大、或いは切り替え信号の精度が劣化するという課題が生じる恐れがある。

本発明の目的は、高速なパルス形成を行うような場合であっても、試料上における一次荷電粒子線の照射位置ずれを抑制或いは防止可能な荷電粒子線装置を提供することにある。

上記目的を達成するための一実施形態として、
荷電粒子源と、
試料を載置するステージと、
前記荷電粒子源で発生した荷電粒子線を前記試料に照射するための荷電粒子光学系と、
前記荷電粒子光学系に挿入され、前記荷電粒子線の進行方向を前記荷電粒子光学系の光軸外に偏向させ、或いは前記荷電粒子光学系の光軸内に偏向させるセパレータと、
前記荷電粒子光学系の光軸外に偏向された前記荷電粒子線を吸収、或いは前記セパレータの方向へ反射する荷電粒子線照射切替器と、
前記荷電粒子線照射切替器を制御する制御装置と、
を有することを特徴とする荷電粒子線装置とする。

また、他の実施形態として、
荷電粒子源と、
印加電圧の切替えによって前記荷電粒子源からの荷電粒子線を吸収および反転させ、試料への前記荷電粒子線の照射を切替える荷電粒子線反射制御電極と、
を有することを特徴とする荷電粒子線装置とする。

本発明によれば、高速なパルス形成を行うような場合であっても、試料上における一次荷電粒子線の照射位置ずれを抑制或いは防止可能な荷電粒子線装置を提供することができる。

第１の実施例に係る電子線観察装置の一例を示す概略構成図である。 図１に示す電子線観察装置における電子線照射切替器の動作（パルスＯＮ）を説明するための側面図である。 図１に示す電子線観察装置における電子線照射切替器の動作（パルスＯＦＦ）を説明するための側面図である。 図１に示す電子線観察装置における電子線照射切替器の電子線反射制御電極へ接続された電子線反射制御電源の制御信号の一例を示す信号波形図である。 第２の実施例に係る電子線観察装置における電子線照射切替器の動作（パルスＯＮ）を説明するための側面図である。 図３Ａに示す電子線照射切替器の動作（パルスＯＦＦ）を説明するための側面図である。 第２の実施例に係る電子線観察装置における電子線照射切替器の光軸調整を行うためのフローチャートである。 第２の実施例に係る電子線観察装置における電子線照射切替器の光軸調整画面の一例である。 第３の実施例に係る電子線観察装置における電子線照射切替器の動作（パルスＯＮ）を説明するための側面図である。 図６Ａに示す電子線照射切替器の動作（パルスＯＦＦ）を説明するための側面図である。 第４の実施例に係る電子線観察装置の電子線照射切替器における電子線反射制御電極の表面の一例を示す拡大断面図である。 第１の実施例に係る電子線観察装置の走査用偏向器への制御信号の一例を示す信号波形図であり、上図はＸ方向、下図はＹ方向を示す。 第１の実施例に係る電子線観察装置の走査用偏向器によるビーム走査の一例を示す図である。 第１の実施例に係る電子線観察装置の走査用偏向器及び電子線照射切替器への制御信号の一例を示す信号波形図であり、上図が走査用偏向器、下図が電子線照射切替器を示す。 第１の実施例に係る電子線観察装置を用いた画像観察のフローチャートである。 第１の実施例に係る電子線観察装置における画像観察画面である。 第１の実施例に係る電子線観察装置における電子線照射切替器への制御信号の他の例を示す信号波形図である。

発明者等は、位置ずれが生じない特許文献２の構成について、小電圧の切替えで電子線の照射と非照射とを切替えできないか検討した。その結果、電子線反射制御電極を用いることに思い至った。特許文献２では電子を放出するフィラメントと加速電極との間にスイッチを設けこれを切り替えていたために、高電圧の切り替えが必要となっていた。これに対し、加速電極とは別に電子線反射制御電極を設け、この電子線反射制御電極に電子エネルギーを相殺する電圧を与えることによりこの電子線反射制御電極に到達するときには電子エネルギーをゼロにできる。このため、先の電圧に負の小電圧を重畳した電圧を電子線反射制御電極に印加することにより電子線は反射され、先の電圧に正の小電圧を重畳した電圧を電子線反射制御電極に印加することにより電子線は吸収される。この場合、重畳する小電圧を切替えるたけであり電圧の高速切り替えが可能となる。なお、電子線に代えて正イオン線を用いる場合には正負逆転した小電圧を重畳すればよい。この電子線反射制御電極の設置場所について更に検討し、光軸外（例えば、光軸と直交する方向）に配置することとした。これにより電子線反射制御電極を新たに設置することによる元の電子光学系への影響を抑制することができる。本発明は、この新たな知見により生まれたものである。なお、電子線を光軸外に曲げる手段としては、例えばビームセパレータを用いることができる。

すなわち、電子線が光学系の途中でビームセパレータにより光軸外に軌道を曲げられて電子線反射制御電極に向かって入射し、この電子線反射制御電極によって電子線の軌道を反転させて再度ビームセパレータに軌道を入射させる構成であり、試料に電子線を照射する通常の条件では電極が電子線を反射し、電子線を非照射とするときには電子線を電極に吸収させることとした。これによって高速で高精度な電子線の照射と非照射の切り替えを可能とし、電子線の試料上での位置ずれを生じることなく、高感度、高効率な検査および計測技術を実現できる。

以下、本発明を実施例により図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一の要素には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、電子線を使用した試料の観察装置における実施例を示すが、イオンビームを使用する場合においても本発明の効果は失わない。

本発明の第１の実施例に係る電子線観察装置について説明する。
図１は、本実施例に係る電子線観察装置の一例を示す概略構成図である。
まず、装置構成について説明する。電子源１０１から電子線１０２が引出される。下流方向には、ビームセパレータ１０３、電子線照射切替器１０４、検出器１０５、走査偏向用偏向器１０６、対物レンズ１０７が配置されている。更に、電子光学系には、一次ビームの中心軸（光軸）調整用アライナ、収差補正器等も付加されている（図示せず）。なお、本実施例における対物レンズ１０７は励磁電流によってフォーカスを制御する電磁レンズである例を示すが、静電レンズまたは電磁レンズと静電レンズの複合であってもよい。

ステージ１０８は、上に試料１０９を載置して移動できる構成を有する。電子源１０１、ビームセパレータ１０３、電子線照射切替器１０４、検出器１０５、走査偏向用偏向器１０６、対物レンズ１０７、ステージ１０８の各部には制御装置１１０が接続されており、さらに制御装置１１０にはシステム制御部１１１が接続されている。

システム制御部１１１は、機能的には記憶装置１１２及び演算部１１３を含み、画像表示装置を備えた入出力部１１４が接続されている。また、図示していないが、制御系、回路系以外の構成要素は真空容器内に配置されており、真空内で動作させることは言うまでもない。また、真空外から試料をステージ上に配置する試料搬送系が具備されていることも言うまでもない。

なお、システム制御部１１１は、より具体的には、演算部１１３である中央処理部や記憶装置１１２である記憶部を備えた構成とし、この中央処理部を上述の演算部１１３として記憶装置１１２に記憶されたプログラム等を実行させることにより、たとえば、欠陥検査や寸法計測にかかわる画像処理、あるいは制御装置１１０等の制御を行うことができる。本明細書において、このシステム制御部１１１、入出力部１１４、制御装置１１０等をも含め、制御部と総称する場合がある。更に、入出力部１１４は、キーボードやマウス等の入力手段と、液晶表示デバイスなどの表示手段が、入力部、出力部として別構成とされていても良いし、タッチパネルなどを利用した一体型の入出力手段で構成されていても良い。

次に、本実施例の装置を用いて実施される画像観察に関して説明する。なお、電子線照射切替器１０４は試料への電子線の照射と非照射を切り替える要素であり、本説明においては電子線を試料に照射する場合について示す。照射と非照射を切り替える方法（電子線のパルス化法）に関しては後述する。

電子源１０１から放出された電子線１０２は、ビームセパレータ１０３を通過して電子線照射切替器１０４の方へと出射する。電子線１０２は電子線照射切替器１０４によりその軌道の方向を反転し、ビームセパレータ１０３に再度入射し、対物レンズ１０７に入射する。電子線１０２は、対物レンズ１０７によってそのフォーカスを制御され、試料１０９上にビーム径が極小になるように集束される。走査偏向用偏向器１０６は、電子線１０２が試料１０９の定められた領域を走査するように制御装置１１０により制御される。

試料１０９の表面に到達した電子線１０２は、表面付近の物質と相互に作用する。これにより、反射電子、二次電子、オージェ電子等の二次的な電子が試料から発生し、取得すべき信号となる。本実施例においては信号が二次電子である場合について示す。

電子線１０２が試料１０９に到達した位置から発生した二次電子１１５は検出器１０５により検出される。検出器１０５から検出される二次電子１１５の信号処理が、制御装置１１０から走査偏向用偏向器１０６に送られる走査信号と同期して行われることによりＳＥＭ画像が形成され、試料１０９の観察が実施される。

なお、本実施例においては、検出器１０５は対物レンズ１０７や走査偏向用偏向器１０６より上流に配置したが、配置の順序は入れ替わっていてもよい。また、図示しないが電子源１０１と対物レンズ１０７の間には電子線の光軸を補正するアライナが配置され、電子線の中心軸が絞りや電子光学系に対してずれている場合に補正できる構成となっている。なお、図１において、電子線１０２及び二次電子１１５は、その進行方向を矢印で示した。

なお、本実施例において、ビームセパレータ１０３には磁場セクターを使用したが、ＥＸＢや、静電の偏向器を複数組み合わせる構成で実現してもよい。

次に、本実施例における、電子線１０２の試料１０９への照射と非照射を切り替える方法について説明する。図２Ａ及び図２Ｂは、図１に示す電子線照射切替器の動作を説明するための側面図である。本実施例において、電子線照射切替器１０４は、電子線反射制御電極２０１と電子線反射制御電源２０２から構成されている。電子線反射制御電源２０２は、その発生電圧を電子線反射制御電極２０１に印加するために、制御装置１１０により制御される電圧源である。なお、電子線反射制御電極に関しその形状は問わないが、電場を考慮すると円形が望ましい。

まず、電子線を試料に照射する場合に関して図２Ａを用いて説明する。電子線１０２を試料に照射する場合には、電子線照射切替器１０４により電子線１０２の軌道を反転する。加速電極（図示せず）により加速された電子線１０２の加速電圧をＶ_０とすると、電子線１０２の軌道の進行方向を反転するために、電子線反射制御電極２０１に印加される電圧Ｖ_ｏｎが下記の（１）及び（２）式を満たすように電子線反射制御電源２０２を制御する。

電子線反射制御電極２０１には負の電圧が印加されているため、電子線１０２は、電子線反射制御電極２０１付近で加速電圧がＶ_０から徐々に減少して減速し、加速電圧が０、すなわち速度が０となった後、その進行方向を反転して逆向きに進行する。電子線１０２が電子線反射制御電極２０１から十分離れると、電子線１０２の加速電圧はＶ_０となる。このようにして電子線１０２は、加速電圧を維持したまま軌道の進行方向を反転する。図１に示したように、電子線１０２はこの後ビームセパレータ１０３に入射して対物レンズ１０７の方に出射し、試料１０９に照射される。

次に、電子線を試料に照射しない、非照射の場合に関して図２Ｂを用いて説明する。非照射の場合には、電子線反射制御電源２０２が発生し電子線反射制御電極２０１に印加する電圧Ｖ_ｏｆｆは下記の（３）式を満たすように制御する。

Ｖ_ｏｆｆが（３）式を満たすとき、電子線１０２は加速電圧が０にならないため、その軌道の進行方向は反転せず、電子線反射制御電極２０１に衝突して吸収される。従って試料１０９には電子線１０２は照射されない。

図２Ｃは、時刻ｔにおいて電子線照射切替器１０４を照射の条件から非照射の条件に切り替える場合の、電子線反射制御電源２０２の制御信号の一例を示す信号波形図である。なお、図２Ｃにおいては、すべての電圧ＶでＶ＜０である。（１）式及び（３）式より、｜Ｖ_ｏｎ｜は｜Ｖ_０｜より高く、｜Ｖ_ｏｆｆ｜は｜Ｖ_０｜より低く設定する。

照射と非照射の切り替えにおいて、制御信号はＶ_ｏｎとＶ_ｏｆｆの差であるΔＶだけの電圧変化が必要である。ここで、この制御信号の切り替えが高速に行われる場合、電子線反射制御電源２０２から電子線反射制御電極２０１までの配線に基づく浮遊容量やインダクタンスの影響で波形にリンギングが発生することがある。

この場合、図２Ｃのように理想的な波形とならず、オーバー或いはアンダーシュートが発生する。この電圧のオーバー或いはアンダーシュートの振幅は小さい方が望ましい。この振幅は、ΔＶが大きいほど大きくなるため、ΔＶとして小さな値を設定する方がよい。この一方で、Ｖ_ｏｆｆがＶ_０と近い値となると、電子線１０２が電子線反射制御電極２０１に衝突する際の加速電圧が、例えば１００Ｖ程度と低い電圧となり、反射電子のイールドが増加し、ノイズの原因となる可能性がある。以上の２点を考慮して、ΔＶとしては以下の（４）式の条件が望ましいことが分かった。

この値は、引用文献２の構成で必要となる電圧の１／１０以下であり、高速切替えが可能である。以上、ビームセパレータと電子線反射制御電極とを組み合わせた構成により、電子線の照射と非照射を高速に切替えることができた。

本実施例の方式においては、電子線反射制御電極２０１に印加する電圧によって電子線の照射と非照射が切り替えられるため、その切り替えの過渡状態において、電子線の位置の移動は発生しない。また、電子線反射制御電極２０１は、印加する電圧に応じて、電子線１０２に対するレンズ作用が変化する。従って、電子線の照射と非照射の切り替えの過渡状態においては、試料上でフォーカスが多少ずれる。

この効果を小さくする一つの方法としては、電子線１０２のクロスオーバーを上記のレンズの中心、すなわち電子線反射制御電極２０１の近傍に形成することが効果的である。また、電子線反射制御電極よりも後段（本実施例においては対物レンズのみ）を十分小さな縮小率、たとえば１／２０以下の倍率となるようにすることによって、そのフォーカスの変動を焦点深度より小さくする方法も効果的である。

なお、本実施例においては、対物レンズの光軸調整などの光学系の設定は全て別途実施されており、オペレーターが直接設定する例に関しては示していないが、試料の観察などの前にオペレーターが実施しても構わないし、画像をもとに制御系にフィードバックする等の方法で、自動的に実施、判断するようにしてもよい。

次に、試料を観察した例について説明する。
図８ＡはＳＥＭ画像を形成する際に、制御装置１１０から走査偏向用偏向器１０６に与えられる走査信号（制御信号）の一例を示す信号波形図であり、上図はＸ方向、下図はＹ方向を示す。最も一般的な走査信号はラスタスキャンと呼ばれるＸ方向及びＹ方向にそれぞれランプ信号を与えるものである。

図８Ｂは、図８Ａの走査信号が走査偏向用偏向器１０６に与えられた場合の試料での電子線の走査の様子を示すものであり、電子線は、走査軌道８０１に従ってその位置を変化させ、走査される。まずはＸ方向に偏向されて時間ｔ_ｌの間に一列の走査（ライン）を完了した後、Ｙ方向に１画素分だけ移動して、再度Ｘ方向に走査されるという動作を繰り返し、時間ｔ_ｆの間に１枚（フレーム）の画像を取得する。符号８０２は１画素であり、この画素ごとの二次電子の情報を走査と同期させて検出器１０５にて検出する。符号８０３は視野であり、図８ＡにおいてＸ方向及びＹ方向への信号の振幅に比例して視野８０３の領域が定まる。

電子線がパルス化されていない通常のＳＥＭ画像を取得する場合においては、図８Ａの全走査信号の領域、或いは図８Ｂの全視野において、画素情報を順次取得する。しかしながら、試料が絶縁体である場合、光学条件によっては、試料が帯電し像障害を発生する。この影響を避けるため、本実施例においては、電子線照射切替器１０４を制御装置１１０で制御することによって、電子線の試料への照射と非照射の切り替えを繰り返し、帯電の影響を抑制しながらＳＥＭ画像を取得した。

図８Ｃは、電子線照射切替器１０４の制御信号を、走査信号と併せて示したものであり、上図が走査信号、下図が電子線照射切替器１０４の制御信号である。電子線照射切替器１０４は、電子線の試料への照射の時間ｔ_ｏｎと、非照射の時間ｔ_ｏｆｆを繰り返して切り替える。本実施例においては、この切り替えのタイミングは、Ｘ方向或いはＹ方向の走査信号のランプ波形の一周期（ｔ_ｌあるいはｔ_ｆ）よりも短い間に行われており、電子線の試料上での走査は間引き走査となっている。このラスタスキャンの走査時間ｔ_ｌ、ｔ_ｆと電子線の試料への照射／非照射の時間ｔ_ｏｎ／ｔ_ｏｆｆとの比率は試料の材質や加速電圧、プローブ電流、試料直上の電界強度、走査速度、観察倍率等の観察の光学条件によって適切なものを選択できるようになった。

本実施例の構成を用いて、絶縁体でできた試料を観察する方法に関して、図９及び図１０を用いて説明する。図９は本実施例を用いて帯電の影響なく試料を観察するためのフローチャートである。オペレーターは、画像表示装置を備えた入出力部１１４を介して観察を開始する（図９中ステップＳ９０１）。画像表示装置には、例えば図１０に示す電子線照射切替器の光軸調整画面が現れる。以下、特に断らない場合は図１０を参照する。

オペレーターは読み出し条件設定部１００１からあらかじめ決定され記憶装置１１２に保存されている条件ファイルを選択し、設定ボタン１００２を押下することで所望の観察条件及び光学条件を読みだす（ステップＳ９０２）。ここで読み出される条件は、上述した試料の材質や加速電圧、プローブ電流、試料直上の電界強度、走査速度、観察倍率等の観察の光学条件によってあらかじめ保存された条件である。

条件が選択されると、システム制御部１１１から制御装置１１０を介して装置に制御信号が送られ、所望の光学条件が設定される。各種条件が設定された後、帯電制御設定部１００３には読みだされた条件に応じて、ラスタスキャンの走査時間ｔ_ｌ、ｔ_ｆと電子線の試料への照射／非照射の時間ｔ_ｏｎ／ｔ_ｏｆｆとの関係が表示される。

なお、本実施例においては、スキャンの種類の選択によりラスタスキャンの走査時間ｔ_ｌ、ｔ_ｆを設定し、パルスのＯＮ／ＯＦＦレートの選択により照射／非照射の時間ｔ_ｏｎ／ｔ_ｏｆｆの比を設定し、間引きレートの選択により、ｔ_ｌとｔ_ｏｎの比を設定できる構成とした。

ここで、オペレーターは、帯電制御設定部内の各パラメータを所望の値に設定し、設定ボタン１００４を押下する（ステップＳ９０３）。さらに、オペレーターは、必要に応じて、光学条件設定部１００５内に表示されたフォーカスや非点、倍率などの各種光学条件を設定する（ステップＳ９０４）。

オペレーターが画像取得ボタン群１００６のうちのいずれかを押下すると、ＳＥＭ画像が画面１００７に表示（画像取得）される（ステップＳ９０５）。オペレーターは画像保存ボタン１００８を押下してＳＥＭ画像を保存して画像取得のフローを完了（観察終了）する（ステップＳ９０６）。

なお、本実施例において、走査偏向用偏向器はラスタ走査をする例を示したが、走査の方向を適宜変更するベクタ走査を適用することもできる。以上により、試料の材質に応じて帯電を抑制するパルスの条件を決定し他条件で観察を実施することができる。

次に、試料の帯電によって発生する信号量の変化を有効活用する例に関して示す。
図１１は、本実施例における電子線照射切替器１０４の制御信号の他の例である。本実施例において、電子線の試料への照射、非照射、照射、非照射のように時間ｔ_ｏｎ１、ｔ_ｏｆｆ１、ｔ_ｏｎ２、ｔ_ｏｆｆ２の順で繰り返して切り替えている。すなわち、図８Ｃにおいては、照射と非照射の時間はそれぞれ一種類ずつであったが、図１１では、それぞれ２種類である。このうち、ｔ_ｏｎ１、ｔ_ｏｆｆ１の時間は、試料への電子線の予備照射を行っており、観察前にあらかじめ帯電を形成することにより、取得する画像のコントラストの強調を行った。ｔ_ｏｎ２、ｔ_ｏｆｆ２の時間は、連続的に試料に電子線が到達しないように制御することで、帯電による像障害の発生を回避するために使用する。このようにして照射と非照射の信号波形を制御することにより、帯電制御と帯電抑制を両立した観察が実施できた。

図１に示す電子線観察装置における電子線照射切替器として、図２Ａや図２Ｂに示す電子線照射切替器を用いて一次電子線としてパルス幅がナノ秒〜ピコ秒のパルスを形成し試料に照射したところ、帯電の影響が低減されると共に試料上における一次電子線の照射位置ずれが抑制或いは防止され、高感度、高効率な検査および計測を行うことができた。

以上本実施例によれば、高速なパルス形成を行うような場合であっても、試料上における一次荷電粒子線の照射位置ずれを抑制或いは防止可能な荷電粒子線装置を提供することができる。

本発明の第２の実施例について説明する。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。

本実施例では、電子線照射切替器１０４の光軸調整を容易とするため、電子線を検出できる構成が追加された例に関して示す。他の装置構成に関しては実施例１と同一であるため、本実施例においては説明を省略する。

図３Ａ及び図３Ｂは、電子線照射切替器の動作を説明するための側面図である。図２Ａ及び図２Ｂと同様に、図３Ａ及び図３Ｂはそれぞれ試料に対して電子線の照射及び非照射となる条件に対応する。本実施例における電子線照射切替器１０４の構成において、図２Ａ及び図２Ｂに示した実施例の構成と異なる部分は、電子線反射制御電極３０１の中心付近に開口部がある点と、この開口部の後方に検出器３０２が配置されている点である。また、検出器３０２は制御装置１１０に接続されている。これ以外に関しては、実施例１と同様である。なお、電子線反射制御電極の開口部に関し、その形状は問わないが、電場を考慮すると円形が望ましい。

電子線の試料への照射条件は実施例１と同様に（１）、（２）式となり、電子線反射制御電極３０１に開口があっても、電子線１０２の軌道の進行方向を逆転させることが可能である。電子線の非照射条件に関しても実施例１と同様に（３）式によって実現でき、また、照射と非照射の切り替えの条件は（４）式に従う。

ここで、図３Ｂに示すように、非照射の場合においては、電子線反射制御電極３０１の中心付近に開口部があるために、電子線１０２は電子線反射制御電極３０１には衝突せず、その後ろにある検出器３０２へと入射する。この信号を確認することにより、電子線１０２が電子線照射切替器１０４の軸を通過するように調整することが可能である。

また、本実施例においては、検出器３０２は電子線反射制御電源２０２に接続せず、検出信号を増幅させるための正のバイアス電圧（図示せず）を印加した。この印加電圧が例えば５ｋＶである場合、検出器に到達するときの電子線１０２の加速電圧は、｜Ｖ０｜＋５ｋＶと高い値に設定可能となり、実施例１において問題となった反射電子の発生を抑制することが可能となった。

続いて、本実施例の構成を用いて、電子線照射切替器１０４の光軸調整を行う方法に関して、図４及び図５を用いて説明する。図４は電子線照射切替器１０４の光軸調整を行うためのフローチャートである。オペレーターは、画像表示装置を備えた入出力部１１４を介して電子線照射切替器１０４の光軸調整を開始する（図４中ステップＳ４０１）。画像表示装置には図５に示す電子線照射切替器１０４の光軸調整画面が現れる。以下、特に断らない場合は図５を参照する。

光軸調整を開始すると、電子線照射切替器１０４よりも上流側に配置されている偏向器やアライナ（図示せず）に走査信号が与えられ、検出器３０２上で電子線１０２が走査される。光軸調整画面上には、このようにして取得された検出画像５０１が表示される。検出画像５０１は、電子線１０２が検出可能である検出面より外側に走査されると信号が取得されないため、検出器の検出面に対応した形状の画像となって観察される。なお、検出器３０２の前段にメッシュや絞り等を配置し、その形状に基づいた透過画像を取得してもよい。

オペレーターは、検出画像５０１の明るさや、エッジのぼけが最適な状態になるように光軸調整部５０２のスライドバーを調整する（ステップＳ４０２）。本実施例においては、最適な状態とは、検出画像５０１の中心が最も明るくなる条件とした。オペレーターは、検出画像５０１の明るさが十分かどうかを判断し（ステップＳ４０３）、十分であれば完了ボタン５０３を押下し、記憶装置１１２に条件が保存されて光軸調整を完了する（ステップＳ４０４）。

なお、本実施例においては検出画像５０１の明るさを元にステップＳ４０３における判断を行ったが、検出画像５０１のエッジ部分のぼけや、検出器３０２の前にメッシュや絞りが配置されている場合には、その透過画像の鮮鋭度から判断してもよい。

また、本実施例においては、ステップＳ４０２において、光軸調整部５０２はビームセパレータ１０３とアライナ（図示せず）の調整を行った例に関して示したが、これ以外のレンズや偏向器、非点補正器等の光学要素により調整してもよい。

更に、本実施例においては、オペレーターが手動で光軸調整部５０２を調整する例に関して示したが、調整の途中の検出画像を記憶装置１１２に保存し、演算部１１３によって光軸パラメータの変化による画像の変化を数値化して演算し、その最適値を導出してフィードバックすることにより、ステップＳ４０２〜ステップＳ４０３を自動的に実施する構成としてもよい。なお、図５に示した電子線照射切替器の光軸調整画面はその一例であり、これ以外の画面構成をとってもよいことは言うまでもない。

以上より、電子線の照射と非照射を切り替えることができ、更にそれを実現する電子線照射切替器１０４の光軸調整を行うことができた。

図１に示す電子線観察装置における電子線照射切替器として、図３Ａや図３Ｂに示す電子線照射切替器を用いて一次電子線としてパルス幅がナノ秒〜ピコ秒のパルスを形成し試料に照射したところ、帯電の影響が低減されると共に試料上における一次電子線の照射位置ずれが抑制或いは防止され、高感度、高効率な検査および計測を行うことができた。

以上本実施例によれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、電子線照射切替器として開口部を有する電子線反射制御電極３０１及び検出器３０２を用いることにより、電子線照射切替器１０４の光軸調整を容易に行うことができる。また、非照射時における二次電子或いは反射電子の発生を抑制することができる。

本発明の第３の実施例について説明する。なお、実施例１又は２に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。

本実施例においては、電子線１０２のプローブ電流を測定するためにファラデーカップが追加された例に関して示す。他の装置構成に関しては実施例１と同一であるため、本実施例においては説明を省略する。

図６Ａ及び図６Ｂは、電子線照射切替器の動作を説明するための側面図である。図２Ａ及び図２Ｂ、図３Ａ及び図３Ｂと同様に、図６Ａ及び図６Ｂはそれぞれ試料に対して電子線の照射及び非照射となる条件に対応する。本実施例における電子線照射切替器の構成において、図３Ａ及び図３Ｂに示した実施例の構成と異なる部分は、電子線反射制御電極６０１がファラデーカップ構造となっている点である。これにより、非照射の条件において、電子線１０２が電子線反射制御電極６０１に到達する際には、発生した二次電子や反射電子をファラデーカップの外側に逃がしにくくなるため、発生した反射電子が試料まで到達してノイズとなることを回避可能となった。

また、電子線反射制御電極６０１は制御装置１１０に接続されており、ファラデーカップ内に到達した電子線１０２のプローブ電流を測定して入出力部１１４への表示、或いは記憶装置１１２への記憶ができるようになっている。これ以外に関しては、実施例１と同様である。

また、ファラデーカップに到達した電流を画像化すれば、実施例２にて示した電子線照射切替器１０４の光軸調整の方法を使用することが可能である。

以上より、電子線の照射と非照射を切り替えることができ、更にそれを実現する電子線照射切替器１０４の光軸調整を行うことができた。

図１に示す電子線観察装置における電子線照射切替器として、図６Ａや図６Ｂに示す電子線照射切替器を用いて一次電子線としてパルス幅がナノ秒〜ピコ秒のパルスを形成し試料に照射したところ、帯電の影響が低減されると共に試料上における一次電子線の照射位置ずれが抑制或いは防止され、高感度、高効率な検査および計測を行うことができた。

以上本実施例によれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、電子線照射切替器としてファラデーカップ構造の電子線反射制御電極６０１を用いることにより、電子線照射切替器１０４の光軸調整を容易に行うことができる。また、非照射時における二次電子或いは反射電子の発生を抑制することができる。

本発明の第４の実施例について説明する。なお、実施例１乃至３の何れかに記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。

本実施例においては、電子線が試料へ非照射となる条件において、電子線反射制御電極から発生する二次電子、あるいは反射電子の影響を減らすため、実施例１の構成、すなわち図２Ａ及び図２Ｂに示す電子線反射制御電極２０１の表面に加工を施した。

図７は、電子線が試料に対して非照射の場合、すなわち図２Ｂにおける電子線反射制御電極２０１の表面の一例を示す拡大断面図である。電子線反射制御電極２０１の表面には鋸歯状の構造７０１が形成されている。図２Ｂにて示したとおり電子線１０２は電子線反射制御電極２０１に衝突するが、その際に発生する二次電子、あるいは反射電子７０２は、鋸歯状の表面構造７０１によって散乱され、隣接する鋸歯に吸収される。この結果、二次電子或いは反射電子は試料１０９の方向に進行せず、照射しないため、ノイズが抑制された。

なお、本実施例においては、電子線反射制御電極２０１の構造として鋸歯状のものを示したが、表面が平坦でなく、発生する二次電子或いは反射電子を閉じ込められる構造であれば、例えば矩形歯状やフラクタル状などであってもよい。また、本実施例においては実施例１における電子線反射制御電極２０１の表面形状を代表例として示したが、実施例１−３のいずれの場合であってもよい。

なお、本実施例においては電極の表面を直接加工する例を示したが、電極表面にカーボン等を塗布することによって発生する二次電子或いは反射電子を閉じ込める構造を形成してもよい。

図１に示す電子線観察装置の電子線照射切替器における電子線反射制御電極として、図７に示す電子線照射切替器を用いて一次電子線としてパルス幅がナノ秒〜ピコ秒のパルスを形成し試料に照射したところ、帯電の影響が低減されると共に試料上における一次電子線の照射位置ずれが抑制或いは防止され、高感度、高効率な検査および計測を行うことができた。

以上本実施例によれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、電子線照射切替器の電子線が入射する表面に二次電子或いは反射電子を閉じ込める構造を形成することにより、非照射時において試料に照射される二次電子或いは反射電子が抑制され、ノイズが低減される。

以上実施例について説明したが、本発明は以下の実施形態を含む。
（１）荷電粒子源から発生した荷電粒子線を試料上に照射する荷電粒子線装置であって、前記荷電粒子線の進行方向に応じて偏向方向を切り替えるビームセパレータを備え、少なくとも一つの電極を有する切替器を備え、前記切替器を制御する制御装置を備え、前記制御装置は前記電極に第一の電圧が印加される第一の条件と前記電極に第二の電圧が印加される第二の条件を実施するように前記切替器を切り替えて制御し、前記第一の条件では前記切替器が前記荷電粒子線の軌道の進行方向を反転しかつ前記荷電粒子線が前記試料に到達し、前記第二の条件では前記切替器が前記荷電粒子線を吸収しかつ前記荷電粒子線が前記試料に到達しないことを特徴とする荷電粒子線装置とする。
（２）荷電粒子線装置において、印加電圧の切替によって荷電粒子源からの荷電粒子線を吸収および反転させる電極を有し、
前記電極の印加電圧の切替によって、試料への前記荷電粒子線の照射を切り替えることを特徴とする荷電粒子線装置。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

本発明は、荷電粒子線装置、特に荷電粒子線を利用した高感度、高効率な観察・検査および計測技術として有用である。

１０１…電子源、１０２…電子線、１０３…ビームセパレータ、１０４…電子線照射切替器、１０５…検出器、１０６…走査偏向用偏向器、１０７…対物レンズ、１０８…ステージ、１０９…試料、１１０…制御装置、１１１…システム制御部、１１２…記憶装置、１１３…演算部、１１４…入出力部、１１５…二次電子、２０１…電子線反射制御電極、２０２…電子線反射制御電源、３０１…電子線反射制御電極、３０２…検出器、Ｓ４０１…電子線照射切替器光軸調整開始ステップ、Ｓ４０２…光軸パラメータ調整ステップ、Ｓ４０３…判断ステップ、Ｓ４０４…完了ステップ、５０１…検出画像、５０２…光軸調整部、５０３…完了ボタン、６０１…ファラデーカップ構造を有する電子線反射制御電極、７０１…鋸歯状の表面構造、７０２…反射電子、８０１…走査軌道、８０２…画素、８０３…視野、Ｓ９０１…観察開始ステップ、Ｓ９０２…条件読み出しステップ、Ｓ９０３…帯電制御条件決定ステップ、Ｓ９０４…光学条件設定ステップ、Ｓ９０５…ＳＥＭ画像表示ステップ、Ｓ９０６…観察完了ステップ、１００１…読み出し条件設定部、１００２…設定ボタン、１００３…帯電制御設定部、１００４…設定ボタン、１００５…光学条件設定部、１００６…画像取得ボタン群、１００７…ＳＥＭ画面、１００８…画像保存ボタン。

Claims (14)

1. 荷電粒子源と、
   試料を載置するステージと、
   前記荷電粒子源で発生した荷電粒子線を前記試料に照射するための荷電粒子光学系と、
   前記荷電粒子光学系に挿入され、前記荷電粒子線の進行方向を前記荷電粒子光学系の光軸外に偏向させ、或いは前記荷電粒子光学系の光軸内に偏向させるセパレータと、
   前記荷電粒子光学系の光軸外に偏向された前記荷電粒子線を吸収、或いは前記セパレータの方向へ反射する荷電粒子線照射切替器と、
   前記荷電粒子線照射切替器を制御する制御装置と、
   を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１記載の荷電粒子線装置において、
   前記荷電粒子線照射切替器は荷電粒子線反射制御電極を有し、
   前記制御装置は、前記荷電粒子線反射制御電極の方向に進行してくる前記荷電粒子線の速度エネルギーがゼロとなるような電圧を｜Ｖ_０｜とした場合、前記電圧｜Ｖ_０｜よりも高い電圧｜Ｖ_ｏｎ｜、或いは前記電圧｜Ｖ_０｜よりも低い電圧｜Ｖ_ｏｆｆ｜を前記荷電粒子線反射制御電極に印加することにより、前記荷電粒子線照射切替器での前記荷電粒子線の反射或いは吸収を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項２記載の荷電粒子線装置において、
   前記高い電圧｜Ｖ_ｏｎ｜と前記低い電圧｜Ｖ_ｏｆｆ｜との差ΔＶは、ΔＶ≦５００Ｖであることを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１記載の荷電粒子線装置において、
   前記荷電粒子線照射切替器は、
   前記荷電粒子線照射切替器により吸収される前記荷電粒子線が通過する開口を有する荷電粒子線反射制御電極と、
   前記開口を通過した前記荷電粒子線を検出する検出器と、
   を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項１記載の荷電粒子線装置において、
   前記荷電粒子線照射切替器は、ファラデーカップ構造を有する荷電粒子線反射制御電極を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項１記載の荷電粒子線装置において、
   前記荷電粒子線照射切替器は、二次荷電粒子或いは反射荷電粒子を抑制するような表面構造を備えた荷電粒子線反射制御電極を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項１記載の荷電粒子線装置において、
   前記表面構造は、鋸歯状の表面構造であることを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項１記載の荷電粒子線装置において、
   前記制御装置は、前記荷電粒子線が前記試料へ照射することに起因する帯電を抑制するために前記荷電粒子線照射切替器における反射の時間長ｔ_ｏｆｆ及び吸収の時間長ｔ_ｏｎを制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項８記載の荷電粒子線装置において、
   前記制御装置は、前記荷電粒子線照射切替器における前記荷電粒子線の前記反射の時間長ｔ_ｏｆｆ及び吸収の時間長ｔ_ｏｎを含む期間を一周期として繰り返すように前記荷電粒子線照射切替器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記載の荷電粒子線装置において、
    前記荷電粒子線照射切替器における反射と吸収の何れか一つを切替えるタイミングは、前記荷電粒子光学系の光学条件或いは前記試料を構成する材料の種類のいずれかによって決定され、
    前記光学条件は、前記荷電粒子線に対する加速電圧、プローブ電流、走査速度、前記試料の直上の電界強度、及び観察倍率の少なくとも一つを含むことを特徴とする荷電粒子線装置。
11. 請求項８記載の荷電粒子線装置において、
    前記制御装置は、前記荷電粒子線照射切替器における前記荷電粒子線の第１反射の時間長ｔ_ｏｆｆ1及び第１吸収の時間長ｔ_ｏｎ1と第２反射の時間長ｔ_ｏｆｆ2及び第２吸収の時間長ｔ_ｏｎ2とを含む期間を一周期として繰り返すように前記荷電粒子線照射切替器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
12. 請求項１１記載の荷電粒子線装置において、
    前記荷電粒子線照射切替器における第１反射と第１吸収、第２反射と第２吸収の何れか一つを切替えるタイミングは、前記荷電粒子光学系の光学条件或いは前記試料を構成する材料の種類のいずれかによって決定され、
    前記光学条件は、前記荷電粒子線に対する加速電圧、プローブ電流、走査速度、前記試料の直上の電界強度、及び観察倍率の少なくとも一つを含むことを特徴とする荷電粒子線装置。
13. 請求項１記載の荷電粒子線装置において、
    前記荷電粒子線照射切替器は荷電粒子線反射制御電極を有し、
    前記荷電粒子線が形成するクロスオーバーの一つが、前記荷電粒子線反射制御電極の近傍に形成されることを特徴とする荷電粒子線装置。
14. 荷電粒子源と、
    印加電圧の切替えによって前記荷電粒子源からの荷電粒子線を吸収および反転させ、試料への前記荷電粒子線の照射を切替える荷電粒子線反射制御電極と、
    を有することを特徴とする荷電粒子線装置。

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