JP2024086882A - Electron detection device and electron beam inspection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、サンプルから放出された電子を検出する電子検出装置に関するものである。 The present invention relates to an electron detection device that detects electrons emitted from a sample.
半導体デバイスはムーアの法則に従って、毎年縮小が進み、最先端デバイスでは量産段
階のデバイスでも最小フィーチャーサイズが20nmを切っている。小さなフィー
チャーサイズを実現するためには、より小さなパターンを形成できる露光技術が必要である。
Semiconductor devices are shrinking every year in accordance with Moore's Law, and the minimum feature size of cutting-edge devices, even in mass-produced devices, is now less than 20 nm. In order to achieve smaller feature sizes, exposure technology capable of forming smaller patterns is required.
従来は波長193nmのレーザー光線が露光に使用されてきたが、光学的に分解できる
寸法限度を既に大きく超えているため、近年では波長が13.5nmのEUV光を利用する露光技術が精力的に進められている。
Conventionally, laser light with a wavelength of 193 nm has been used for exposure, but because this has already far exceeded the limit of dimensions that can be optically resolved, in recent years, exposure technology that utilizes EUV light with a wavelength of 13.5 nm has been actively pursued.
この技術は日本発と言われる技術であるが、10年以上昔からASML(登録商標)等の会社で実用化に向けて研究開発されている。露光装置本体光学系はほぼ完成しているが、数年前までEUV露光装置は経済的量産に必要とされる100Wから200Wの光源パワーを得ることが出来ないため、20nm世代の露光に使用することはスキップされた。 This technology is said to have originated in Japan, but companies such as ASML (registered trademark) have been researching and developing it for practical use for over 10 years. The optical system of the exposure tool itself is almost complete, but until a few years ago, EUV exposure tools were skipped for use in 20 nm generation exposure because they were unable to obtain the 100W to 200W light source power required for economical mass production.
その代わりに既存の波長193nmを用いた露光プロセスを複数回繰り返し行うことでさらに小さなフィーチャーサイズを実現することができる、いわゆるダブルあるいはトリプル露光技術が発展した。 Instead, so-called double or triple exposure techniques have been developed that can achieve even smaller feature sizes by repeating the exposure process multiple times using the existing 193 nm wavelength.
原理上は波長193nmのレーザー光線を用いた液浸リソグラフィーを複数回繰り返す
ことにより幾らでも小さなパターンを作ることが可能である。しかし、従来よりも1ケタ高い精度のnmオーダーのアライメント精度が必要なことや193nm露光に最適化した化学増幅レジストの大きな分子構造から来る大きなラフネス等が繰り返し露光プロセスの制限になることが知られている。現在は、経済的限度と言われている露光プロセスを2回繰り返すダブルパターニングが実用に供せられており比較的構造の簡単なメモリーデバイスでは、20nmから16nmのライン&スペースを実現するために利用されている。
In principle, it is possible to create any number of small patterns by repeating immersion lithography using a laser beam with a wavelength of 193 nm several times. However, it is known that the repeated exposure process is limited by the need for alignment accuracy on the order of nm, which is one order of magnitude higher than conventional methods, and by the large roughness caused by the large molecular structure of the chemically amplified resist optimized for 193 nm exposure. Currently, double patterning, which repeats the exposure process twice, which is said to be the economic limit, is in practical use and is used to realize lines and spaces of 20 nm to 16 nm in memory devices with relatively simple structures.
構造の簡単なメモリーデバイスだけでなく、CPUやロジックデバイスも機能拡充や消
費電力低減のためにパターン縮小を行うことが必要である。ロジックデバイスは繰り返し
の無い複雑なパターンを利用するためロジックデバイスをダブルあるいはトリプル露光で
作るためには相当複雑なパターンが必要である。本来1回の露光で実現出来るパターンを
複数回の露光で利用可能な様に2枚のフォトマスク上のパターンに分割するためには非常
に複雑な計算が必要である。パターンによっては分割計算が発散するなどして必要な結果
が得られない場合がある。
Not only memory devices with a simple structure, but also CPUs and logic devices require pattern reduction to expand their functions and reduce power consumption. Logic devices use complex patterns that do not repeat, so to create logic devices with double or triple exposure, a fairly complex pattern is required. In order to divide a pattern that can be realized with a single exposure into patterns on two photomasks so that it can be used with multiple exposures, extremely complex calculations are required. Depending on the pattern, the division calculation may diverge and the required result may not be obtained.
これらの複雑さを回避する目的で、コンプリメンタリーリソグラフィーと呼ばれる、主
にインテル(登録商標)が提唱しているリソグラフィー容易化技術が使われようとしている。この露光方法では、複雑なロジック回路をメモリー回路の様なL&Sの簡単なパターンに還元したパターンを利用することに特徴がある。このようにすることで、複雑なロジックデバイスのパターンを最も露光しやすいL&Sパターンとそのラインをカットするプロセスのみに限定しているため、複雑なパターン分割計算が必要なく、プロセスは簡単で、計算上は8nm程度まで行くとされている。
In order to avoid these complexities, a lithography facilitation technology called complementary lithography, which is mainly proposed by Intel (registered trademark), is being used. This exposure method is characterized by using a pattern in which a complex logic circuit is reduced to a simple L&S pattern like a memory circuit. In this way, the complex logic device pattern is limited to only the L&S pattern that is easiest to expose and the process of cutting the lines, so there is no need for complex pattern division calculations, and the process is simple, and it is calculated to be possible up to about 8 nm.
以上述べたようにダブルパターニングやトリプルパターニング等の複雑な露光方法が使用されると、必要なフォトマスクは分割露光する度に増加し、従来以上に多くのマスク検査や精密な測定が要求されるようになる。例えば、ダブルパターニングでは、2枚のフォトマスクを順次重ねて用いるため、2枚のマスク間のマスク上に形成されているラインの絶対位置精度やアライメント精度が今まで以上に重要である。より細かいパターンを露光するための光学補正も複雑かつ、精密になる。インバースリソグラフィーを用いたマスクなどは、高次の回折光まで使用するため、補正に利用するパターンサイズはさらに小さい。マスクの生産に当たっては、従来は無視できていた大きさの欠陥がデバイス歩留まりに効いてくるなど、従来以上に欠陥密度を下げる必要があるし、細かいパーティクルも観察の対象になる。 As mentioned above, when complex exposure methods such as double patterning and triple patterning are used, the number of photomasks required increases with each divided exposure, and more mask inspections and precise measurements are required than ever before. For example, in double patterning, two photomasks are used in a sequentially stacked manner, so the absolute position accuracy and alignment accuracy of the lines formed on the mask between the two masks are more important than ever before. Optical correction for exposing finer patterns also becomes more complex and precise. Masks using inverse lithography use high-order diffracted light, so the pattern size used for correction is even smaller. When producing masks, it is necessary to reduce the defect density more than ever before, as defects of a size that could be ignored in the past now affect device yields, and fine particles are also subject to observation.
これらの傾向は従来の193nm露光に留まらず、今後、EUVが実用化されると、将来さらに小さなサイズで同様のマルチパターンング技術が使用されるため、検査必要量は指数関数的に増大していく傾向がある。 These trends will not be limited to conventional 193 nm exposure, but will tend to increase exponentially in the future when EUV becomes practical, as similar multi-patterning techniques will be used at even smaller sizes in the future.
以上の要求のため、フォトマスクには常にさらに高分解能で高速な欠陥検査が要求され
続けている。これらの要求に答える有力な方法に、超高速電子ビーム検査装置がある。
Due to the above requirements, photomasks are constantly being required to have higher resolution and faster defect inspections, and an effective method for meeting these requirements is the use of ultra-high speed electron beam inspection equipment.
従来の電子ビーム検査装置は分解能に対しては十分であるが、検査速度に関しては要求とは程遠く遅いという問題があった。 Conventional electron beam inspection equipment provides sufficient resolution, but the inspection speed is slow and far from what is required.
その大きな理由は、従来の電子ビーム検査装置で利用可能な電子検出装置にはダイナミックレンジが狭くてリニアリティーが劣化する飽和特性や応答速度、寿命に問題があり、速度を上げると画像SNRが劣化するため、分解能と検査速度を両立できないという問題があった。 The main reason for this is that the electron detection devices that can be used with conventional electron beam inspection equipment have a narrow dynamic range and problems with saturation characteristics that degrade linearity, response speed, and life span. Increasing the speed also degrades the image SNR, making it difficult to achieve both high resolution and high inspection speed.
それを克服するために発明者は以前にAPDに直接電子を照射して電子を検出する超高速電子検出デバイスを提案している(特開2015-210998参照)。 To overcome this, the inventors have previously proposed an ultrafast electron detection device that detects electrons by directly irradiating them onto an APD (see JP 2015-210998).
しかしながら、1つのAPDを用いて大量の電流を高感度で検出しようとすると、従来よりは遥かに性能が良いが、APDの不感時間のため、数え落としが生じ、入出力関係が一定に成らず、取得した画像のSNRが劣化および直線性が劣化するという新たな課題が生じた。 However, when attempting to detect large amounts of current with high sensitivity using a single APD, although performance is far better than with conventional methods, new issues arise in that counting errors occur due to the dead time of the APD, the input/output relationship is not constant, and the SNR and linearity of the acquired image deteriorate.
本発明は、電子ビームによる高速検査を実現可能にする超高速電子検出装置および該
検出装置を組み込んだ走査型電子ビーム検査装置を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to provide an ultra-high speed electron detection device that enables high speed inspection using an electron beam, and a scanning electron beam inspection device incorporating said detection device.
本発明は、サンプルから放出あるいはサンプルで反射された電子ビームを超高速に検出する超高速電子検出器において、サンプルから放出された二次電電子あるいはサンプルで反射された電子を一旦信号電子検出に必要な大きさを有する応答時間がpsからnsオーダーの超高速シンチレータ板に当てて光に変換した後に、シンチレータで発生した光を直接あるいはライトガイドあるいは光学レンズにて縮小し、面積の小さな光検出素子に照射する。 The present invention is an ultrafast electron detector that detects an electron beam emitted from or reflected by a sample at ultrafast speeds. Secondary electrons emitted from the sample or electrons reflected by the sample are first converted into light by hitting an ultrafast scintillator plate with a response time of the order of ps to ns, which is large enough to detect signal electrons, and then the light generated by the scintillator is reduced directly or by a light guide or optical lens, and irradiated onto a small-area photodetector element.
そのため、本発明は、サンプルから放出された電子ビームあるいはサンプルで反射された電子ビームあるいは両者の電子ビームを超高速に検出する超高速電子検出器において、サンプルから放出して加速される電子ビームあるいはサンプルで反射された電子ビームあるいは両者の電子ビームを一定エネルギーの電子ビームにするエネルギー一定化手段と、エネルギー一定化手段によってエネルギーが一定化された電子ビームを光に変換する第1の検出器と、第1の検出器で変換された光を入力し、増幅して電気信号を出力する第2の検出器とを備るようにしている。 Therefore, the present invention provides an ultrafast electron detector that detects an electron beam emitted from a sample, an electron beam reflected by a sample, or both of these electron beams at ultrafast speeds, and is provided with an energy stabilization means that converts the electron beam emitted from the sample and accelerated, or the electron beam reflected by the sample, or both of these electron beams into an electron beam of constant energy, a first detector that converts the electron beam whose energy has been stabilized by the energy stabilization means into light, and a second detector that inputs the light converted by the first detector, amplifies it, and outputs an electrical signal.
この際、エネルギー一定化手段は、サンプルとあるいはサンプルの表面の近傍に設けたメッシュと、第1の検出器とあるいは第1の検出器の表面の近傍に設けたメッシュとの間に所定の電圧を印加し、電子ビームのエネルギーを一定化するようにしている。 At this time, the energy stabilization means applies a predetermined voltage between the sample or a mesh provided near the surface of the sample and the first detector or a mesh provided near the surface of the first detector, thereby stabilizing the energy of the electron beam.
また、第1の検出器は、電子ビームを光に高速変換するシンチレータとするようにしている。 The first detector is also a scintillator that converts the electron beam into light at high speed.
また、第2の検出器は、複数のアバランシェダイオードを並列に配置したMPPC素子とするようにしている。 The second detector is an MPPC element in which multiple avalanche diodes are arranged in parallel.
また、第2の検出器は、1次電子ビームを通過させる中心に穴を有するリング状円板であって、リング状円板を円周方向に複数に分割した複数の独立した検出器を備えるようにしている。 The second detector is a ring-shaped disk with a hole in the center through which the primary electron beam passes, and is provided with multiple independent detectors that are divided into multiple parts in the circumferential direction.
また、エネルギー一定化手段に印加する電圧を調整し、サンプルから放出された電子あるいはサンプルで反射した電子のみが第1の検出器および第2の検出器で検出・増幅するようにしている。 In addition, the voltage applied to the energy stabilization means is adjusted so that only electrons emitted from the sample or reflected by the sample are detected and amplified by the first and second detectors.
また、超高速電子検出器を組み込んだ走査型電子ビーム検査装置とするようにしている。 It is also designed to be a scanning electron beam inspection device incorporating an ultra-high speed electron detector.
本発明は、第2の検出器は、APDを大量に並べて電気的に並列に組んだ回路から成るMPPC素子からなるため、応答速度が速く、かつ、APDの不感時間が無視できるほど小さく出来るため、従来課題であった、大量に電子を照射した際に起こる数え落とし現象を避けることが可能となる。 In the present invention, the second detector is made up of an MPPC element consisting of a circuit in which a large number of APDs are arranged electrically in parallel, so that the response speed is fast and the dead time of the APD can be made small enough to be negligible, making it possible to avoid the counting loss phenomenon that occurred when a large number of electrons were irradiated, which was a problem in the past.
また、サンプルから放出あるいは反射された電子を一旦光に変換するため、電子ビームと相互作用しないので、自由に別の場所に無損失で運ぶことも出来る。これにより複数のシンチレータ発光源などが有っても、それぞれ独立に効率よく検出できるようになる。 In addition, because the electrons emitted or reflected from the sample are first converted into light, they do not interact with the electron beam and can be transported freely to another location without loss. This means that even if there are multiple scintillator light sources, each can be detected independently and efficiently.
また、大きな入出力ダイナミックレンジを有する電子検出装置を得ることが出来る。電子あるいはフォトン大量入射時に独立動作する多数のAPDがそれぞれ電子や光子を検出するため、実質的に不感時間を生じることなく電子あるいは光子を検出できる。少量の電子から大量の電子までリニアリティー良く検出できる。 In addition, it is possible to obtain an electron detection device with a large input/output dynamic range. When a large amount of electrons or photons are incident, a large number of APDs operating independently each detect electrons or photons, so that electrons or photons can be detected with virtually no dead time. It is possible to detect small to large amounts of electrons with good linearity.
また、シンチレータで発光した光を縮小してより小さな面積を有するMPPCに照射して検出することが可能なため、MPPC面積に比例する熱雑音によるダークノイズを減らすことが出来る。 In addition, the light emitted by the scintillator can be reduced in size and irradiated onto an MPPC with a smaller area for detection, which reduces dark noise caused by thermal noise that is proportional to the MPPC area.
また、サンプル表面で発生し広がりながら漂う電子群を圧縮あるいは縮小しながら加速し小さなシンチレータに照射することにより,小さなシンチレータと小さいフォトン検出装置でフォトンを検出することにより,フォトン検出デバイスが発生する熱雑音を減らすことが出来る。シンチレータを小さく出来るので低コスト化出来るし、コラム内に複数配置することが容易となる。 In addition, by compressing or shrinking the electron group that is generated on the sample surface and drifts as it spreads, accelerating it and irradiating it on a small scintillator, the photons can be detected using a small scintillator and a small photon detection device, reducing the thermal noise generated by the photon detection device. Because the scintillator can be made smaller, costs can be reduced and it becomes easier to place multiple scintillators in a column.
また、電子を検出するために必要な大きさあるいはサイズを有したシンチレータを利用できる。あるいは電子レンズで四方に広がった信号電子を集めてシンチレータに照射出来るので、サンプル表面で発生した信号電子をほぼ完全に検出できる、
また、シンチレータ上に設けた開口率の大きな導電性メッシュおよびシールド管を用いて2次電子加速に利用する電界を局所化出来るため、1次電子のビーム軌道や収差に悪影響を与えないように出来る。
In addition, a scintillator with the size or dimensions required for detecting electrons can be used. Alternatively, the signal electrons that spread in all directions can be collected by an electron lens and irradiated onto the scintillator, so that the signal electrons generated on the sample surface can be detected almost completely.
In addition, the electric field used for accelerating the secondary electrons can be localized by using a conductive mesh with a large opening ratio and a shield tube provided on the scintillator, so that it is possible to prevent any adverse effects on the beam trajectory and aberration of the primary electrons.
また、シンチレータの寿命は非常に長いため、電子検出デバイス全体の寿命も非常に長く、ほとんどメインテナンスフリーに出来る。 In addition, because the scintillator has a very long lifespan, the entire electron detection device also has a very long lifespan, making it virtually maintenance-free.
また、本発明の超高速電子検出器を組み込んだ走査型電子ビーム検査装置では、サンプル(例えばマスクや半導体ウエハー)から放出あるいは反射された電子ビームを超高速に検出して寸法測長、欠陥検出などの短時間に行い、スループットを大幅に向上できる。メインテナンスが殆ど無いので、装置の稼働率を上げることが出来る。 In addition, a scanning electron beam inspection device incorporating the ultrafast electron detector of the present invention can detect the electron beam emitted or reflected from a sample (e.g., a mask or semiconductor wafer) at ultrafast speeds, allowing dimensional measurements and defect detection to be performed in a short time, greatly improving throughput. Since almost no maintenance is required, the operating rate of the device can be increased.
図1は、本発明の1実施例構成図を示す。図1は1次電子ビーム31をサンプル13に照射しつつ平面走査し、発生した2次電子、反射された反射電子を第1の検出器であるシンチレータ9で光に超高速変換し、この変換された光を第2の検出器であるMPPC4により増幅して信号を出力する構成により、超高速に信号電子(2次電子、反射電子など)を検出することが可能となる。
Figure 1 shows a configuration diagram of one embodiment of the present invention. In Figure 1, a primary electron beam 31 is irradiated onto a sample 13 while being planarly scanned, and the generated secondary electrons and reflected electrons are converted into light at ultra-high speed by a scintillator 9, which is a first detector, and this converted light is amplified by an
図1において、電子銃1は、1次電子ビーム31を発生する熱陰極型、TFE、フィールドエミッタ、光励起型等の公知のものである。
In FIG. 1, the
電子銃制御装置2は、電子銃1が1次電子ビーム31を発生するように、高電圧、バイアス電圧、熱陰極型電子銃の場合にはフィラメント加熱電源などを供給する公知のものである。
The electron
偏向電極3は、2段の偏向電極である偏向電極(上)3-1、偏向電極(下)3-2から構成され、X方向、Y方向に対となって所定の偏向電圧を印加し、1次電子ビーム31を2段偏向し、サンプル13の上でXおよびY方向に走査する公知のものである。
The
電子ビーム走査制御装置322は、偏向電極3に所定の走査用の電圧を印加し、サンプル13の上に1次電子ビーム31を細く絞ってXおよびY方向に走査するためのものである。
The electron beam scanning control device 322 applies a predetermined scanning voltage to the
シールド管41は、サンプル13から放出された2次電子が軸上を上方向に走行することを抑止し、シンチレータ9の方向に向かわせるために負の電圧を印加するためのものである。 The shield tube 41 is used to apply a negative voltage to the secondary electrons emitted from the sample 13 to prevent them from traveling upward along the axis and to direct them toward the scintillator 9.
通過阻止用バイアス5は、サンプル13から放出された2次電子が軸上を上方向に通過しないようにするための、シールド管42に通過阻止用の負のバイアス電圧である。 The blocking bias 5 is a negative blocking bias voltage applied to the shield tube 42 to prevent secondary electrons emitted from the sample 13 from passing upward on the axis.
バイアス回路61は、MPPC4にバイアス電圧を印加するものである(図6などを用いて後述する)。 The bias circuit 61 applies a bias voltage to the MPPC 4 (described later using Figure 6, etc.).
MPPC4は、Multi-Pixel Photon Counterの略であって、ガイガーモードAPD(アバランシェダイオート)をマルチピクセル化したフォトンカウンテイングデバイスである(図6などを用いて詳述する)。 MPPC4 is an abbreviation for Multi-Pixel Photon Counter, and is a photon counting device that converts a Geiger mode APD (avalanche diode) into a multi-pixel device (described in detail using Figure 6, etc.).
増幅器6は、MPPC4で増幅された信号を増幅するものである。
The amplifier 6 amplifies the signal amplified by the
PC7は、パソコンであって、プログラムに従い各種処理、制御を行うものである。 PC7 is a personal computer that performs various processes and controls according to programs.
表示装置8は、画像などを表示するディスプレイである。 The display device 8 is a display that displays images, etc.
シンチレータ9は、電子(2次電子、反射電子など)を光に超高速に変換・増幅するものである(後述する)。 The scintillator 9 converts electrons (secondary electrons, reflected electrons, etc.) into light at ultra-high speed and amplifies it (described later).
メッシュ10は、サンプル13から放出された2次電子などを吸引する加速用の電圧を印加するものである。
The
傘11は、サンプル13から放射された2次電子などが、メッシュ10に印加された電圧により加速されシンチレータ9に効率良好に衝突するような電界を形成するものである。傘11は非磁性で導電性の金属等からできている。
The
対物レンズ12は、1次電子ビーム31を細く絞ってサンプル13に照射するものである。
The
サンプル13は、観察、検査、測長対象の試料(フォトマスク、ウェハーなど)であって、必要に応じてサンプルバイアス回路14によってバイアス電圧を印加するものである。 The sample 13 is a specimen (photomask, wafer, etc.) to be observed, inspected, and measured, and a bias voltage is applied to it by the sample bias circuit 14 as necessary.
サンプルバイアス回路14は、サンプル13にバイアス電圧を印加するものである。 The sample bias circuit 14 applies a bias voltage to the sample 13.
次に、図2から図5に従い、サンプル13から放出・反射された電子(2次電子、反射電子など)を図1のシンチレータ9およびMPPC4を用いて高感度、かつ超高速に検出・増幅する構成について詳細に説明する。
Next, referring to Figures 2 to 5, we will explain in detail the configuration for detecting and amplifying electrons (secondary electrons, reflected electrons, etc.) emitted and reflected from the sample 13 with high sensitivity and at ultra-high speed using the scintillator 9 and
図2は、本発明の要部説明図(その1)を示す。図2の(a)はメッシュ10を検出器(第1検出器+第2検出器)の前面の全体(反射電子検出部331および+2次電子検出部321)に配置した例を示し、図2の(b)はメッシュ10を検出器(第1検出器+第2検出器)の前面の2次電子検出部321に配置した例を示す。それ以外は同じ構成である。
Figure 2 shows an explanatory diagram (part 1) of the main parts of the present invention. Figure 2 (a) shows an example in which the
図2の(a)において、検出器(第1検出器+第2検出器)34は、図1の第1の検出器であるシンチレータ9と、第2の検出器であるMPPC4とを重ねた構造を有する検出器であって(図6から図10およびその説明参照)、内側に反射電子検出部331を有し、外側に2次電子検出部321を有するものである。高いエネルギーの反射電子は中心に集まり、低いエネルギーの2次電子は周辺部に集まるので、中心部分に反射電子検出部331を設け、その外側に2次電子検出部321を設け、反射電子と2次電子とを分離してそれぞれ検出可能にしたものである。
In FIG. 2(a), the detector (first detector + second detector) 34 is a detector having a structure in which the scintillator 9, which is the first detector in FIG. 1, and the
メッシュ10は、正の電圧を印加し、サンプル13から放出された低いエネルギーの2次電子を加速するものであって、ここでは、検出器34の反射電子検出部331および2次電子検出部321の両者の全面の前方に配置した例を示す。この場合には、サンプル13から反射したエネルギーの高い反射電子は軸の上方向にガウス分布となり、軸により近い図示の反射電子検出部331で多くが検出される。一方、サンプル13から放出されたエネルギーの低い2次電子は高電圧の印加されたメッシュ10の方向に加速され、図示の2次電子検出部321、更に若干は内側の反射電子検出部331に衝突して増幅・検出される。しかし、全体として2次電子検出部321における2次電子成分の方が多くなり、結果として2次電子を検出しているとみなすことができる。
The
また、図2の(b)において、メッシュ10が2次電子検出部321の前面の部分にのみ配置し、反射電子検出部331の前面の部分にないので、2次電子は全部2次電子検出部321に加速・吸引された2次電子の全部を増幅・検出することが可能となる。
In addition, in FIG. 2B, the
以上のように、検出器(第1検出器+第2検出器)34の前面にメッシュ10を配置して正の電圧を印加することにより、サンプル13から放出された低いエネルギーの2次電子などを加速・吸引して外側の2次電子検出部321で増幅・検出し、一方、サンプル13で反射した高いエネルギーの反射電子などは内側の反射電子検出部331で検出・増幅することが可能となる。
As described above, by placing the
この際、1次電子ビーム31を対物レンズ12で細く絞ってサンプル13に照射したときに放出される2次電子のエネルギーは0.1eVないし1.数eVであり、これがメッシュ10に印加された10KVで加速されるので、検出器34を構成する第1検出器であるシンチレータ9に衝突するときの当該2次電子の変動割合は(0.1eV~1.数eV)/10,000であり、約±0.01%となる。即ち、サンプル13から放出された2次電子はメッシュ10に印加した10KVで加速され、シンチレータ9に衝突するときの当該2次電子のエネルギーの変動は約±0.01%ないしそれ以下に一定のエネルギーになるように調整されることとなる。その結果、サンプル13から放出された2次電子のエネルギーを一定(ここでは10KV±0.01%に一定)にしてシンチレータ9に入力し、2次電子の数に正確に対応した光の量(数)に変換することが可能となる。そして、光に変換した後、第2検出器である例えばMPPC4で増幅して当該2次電子の数に対応した信号を検出することが可能となる。
In this case, the energy of the secondary electrons emitted when the primary electron beam 31 is narrowed by the
また、サンプル13で反射した反射電子は、1次電子の例えば10KVとほぼ同じエネルギーを有するので、第1検出器であるシンチレータ9に入力するときには、上述した2次電子の場合と同様に、その変動は約0.01%ないしそれ以下であり、サンプル13から反射電子の数に対応した信号を検出器34から出力することが可能となる。以下順次詳細に説明する。
In addition, the electrons reflected by the sample 13 have almost the same energy as the primary electrons, for example 10 kV, so when they enter the first detector, the scintillator 9, the fluctuation is about 0.01% or less, as in the case of the secondary electrons described above, and it becomes possible to output a signal corresponding to the number of electrons reflected from the sample 13 from the
図3は、本発明の要部説明図(その2)を示す。図3は、エネルギーフィルター101をサンプル13と検出器(第1検出器+第2検出器)34との間に配置し、エネルギーの高い反射電子33と、エネルギーの低い2次電子32とを分離し、反射電子検出部331および2次電子検出部321で分離してぞれぞれ増幅・検出する構成にしたものである。 Figure 3 shows an explanatory diagram (part 2) of the main parts of the present invention. In Figure 3, an energy filter 101 is placed between the sample 13 and the detectors (first detector + second detector) 34, and high-energy reflected electrons 33 and low-energy secondary electrons 32 are separated and amplified and detected by the reflected electron detector 331 and secondary electron detector 321.
図3において、EXB101は、エネルギーフィルターであって、電界と磁界の両者を印加して電子(反射電子、2次電子)のエネルギーの違いにより図示のように偏向角を異ならせて分離し、それぞれを独立して検出するためのものである。EXB101を設けて電子のエネルギーの低い電子(2次電子など)を外側の2次電子検出部321で増幅・検出し、電子のエネルギーの高い電子(反射電子など)を内側の反射電子検出部331で増幅・検出することが可能となる。 In FIG. 3, EXB101 is an energy filter that applies both an electric field and a magnetic field to separate the electrons (reflected electrons, secondary electrons) by changing the deflection angle as shown depending on the difference in their energy, and detect each independently. By providing EXB101, it becomes possible to amplify and detect low-energy electrons (secondary electrons, etc.) in the outer secondary electron detection unit 321, and amplify and detect high-energy electrons (reflected electrons, etc.) in the inner reflected electron detection unit 331.
以上のように、サンプル13と検出器(第1検出器+第2検出器)34との間のエネルギーフィルター101を配置し、エネルギーの低い電子(2次電子など)を外側の2次電子検出部321で増幅・検出し、エネルギーの高い電子(反射電子など)を内側の反射電子検出部331で増幅・検出することが可能となる。 As described above, by placing the energy filter 101 between the sample 13 and the detectors (first detector + second detector) 34, it becomes possible to amplify and detect low-energy electrons (secondary electrons, etc.) in the outer secondary electron detection section 321, and to amplify and detect high-energy electrons (reflected electrons, etc.) in the inner reflected electron detection section 331.
図4は、本発明の要部説明図(その3)を示す。図4は、図2の(b)の2次電子検出部321を下方向に下げてサンプル13に可及的に近づけ、該サンプル13から放出された2次電子を効率良好に補集できるように工夫、即ち、サンプル13から見て開口を大きくし、かつ前面にメッシュ10を設けて高電圧(例えば10KV)を印加し、サンプル13から放出された2次電子を加速・吸引し、効率良好に増幅・検出を可能にしたものである。
Figure 4 shows an explanatory diagram (part 3) of the main part of the present invention. In Figure 4, the secondary electron detector 321 in Figure 2(b) is lowered downward to be as close as possible to the sample 13, and the secondary electrons emitted from the sample 13 can be efficiently collected. In other words, the opening is made large when viewed from the sample 13, and a
以上のように、2次電子検出部321をサンプル13に近づけて開口を大きくし、該サンプル13から放出された2次電子を、該2次電子検出部321の前面に配置したメッシュ10に高電圧(例えば10KV)を印加して効率良好に加速して補集し、増幅・検出することが可能となる。
As described above, the secondary electron detection unit 321 is brought closer to the sample 13 to enlarge the opening, and the secondary electrons emitted from the sample 13 are efficiently accelerated and collected by applying a high voltage (e.g., 10 kV) to the
図5は、本発明の要部説明図(その4)を示す。図5は、メッシュ10の電位を制御して差分を検出するようにしたものである。
Figure 5 shows an explanatory diagram of the main part of the present invention (part 4). In Figure 5, the electric potential of the
図5の(a)は、バイアス無し(メッシュ10に正の10KV印加した通常の状態)の例を示す。この図5の(a)の場合には、図示のように、検出器34で反射電子+2次電子の両者を検出できる。
Figure 5 (a) shows an example without bias (normal state with positive 10 kV applied to mesh 10). In the case of Figure 5 (a), as shown, both reflected electrons and secondary electrons can be detected by
図5の(b)は、バイアス有りの状態を示す。この図5の(b)の場合には、例えばメッシュ10に2次電子が反射されて検出できない程度の電圧(数Vないし数十Vの負の電圧)を印加するので、2次電子が検出できなく、エネルギーの高い反射電子を増幅・検出できる。
Figure 5(b) shows the state with bias. In the case of Figure 5(b), for example, a voltage (a negative voltage of several volts to several tens of volts) is applied to the
以上のように、任意の電圧をメッシュ10に印加すれば、印加電圧以上のエネルギーの電子のみが検出器34に衝突して増幅・検出することが可能となる。両者の差分を取ればどちらか一方の電子数あるいは電子量を正確に検出できる。
As described above, if an arbitrary voltage is applied to the
図6は、本発明の検出器例を示す。図6は、検出器34を構成する第2検出器であるMPPC4の概略構成を示すものであって、図6の(a)はMPPC写真(斜視図)を示し、図6の(b)は模式図を示し、図6の(c)はMPPCの等価回路例を示す。
Figure 6 shows an example of a detector of the present invention. Figure 6 shows the schematic configuration of MPPC4, which is the second detector that constitutes
図6の(a)において、1次電子通過穴は、1次電子ビームが通過する穴である。当該穴を通過した1次電子ビームは対物レンズ12で細く絞られてサンプル13の上を照射しつつ平面走査され、2次電子を放出および反射電子を反射する。
In FIG. 6A, the primary electron passage hole is a hole through which the primary electron beam passes. The primary electron beam that passes through the hole is narrowed by the
図6の(b)は、下方向からMPPC4とその前面に配置したメッシュ10を見た概略図(シンチレータ9は省略)である。中心に1次電子通過穴があり、MPPC4の前面にメッシュ10が配置され、当該メッシュ10には正の高電圧(例えば10KV)を印加し、サンプル13から放出された2次電子を一定エネルギーに加速した後に、当該MPPC4とメッシュ13との間に配置したシンチレータ9(図示しない)に衝突させて光に変換し、この光を図示のMPPC4に入射して増幅を行い、信号を出力する。
Figure 6(b) is a schematic diagram of the MPPC4 and the
図6の(c)は、MPPCの等価回路例を示す。MPPC4は、複数のD1(アバランシェダイオード)を図示のように並列配置し、更に、R1(クエンチング抵抗)をそれぞれに直列に接続したものを並列接続して構成される。光がある1つのD1(アバランシェダイオード)に入力するとガイガーモードにある当該D1が放電して電流を流し、電流が流れるとR1(クエンチング抵抗)により電流制限されて放電電圧以下となり当該放電が停止し、1つのパルスが出力される。2つの光子が同時入力すると並列になり、約2倍のピークを有するパルスが出力される。同様に、n個の光子が同時入力されるとn倍のパルスが出力されることとなる。 Figure 6 (c) shows an example of an equivalent circuit of an MPPC. The MPPC4 is configured by arranging multiple D1 (avalanche diodes) in parallel as shown in the figure, and further connecting R1 (quenching resistor) in series to each of them in parallel. When light is input to one D1 (avalanche diode), the D1 in Geiger mode discharges and current flows. When current flows, the current is limited by R1 (quenching resistor) and falls below the discharge voltage, the discharge stops, and one pulse is output. When two photons are input simultaneously, they become parallel and a pulse with approximately twice the peak is output. Similarly, when n photons are input simultaneously, n times the pulse is output.
バイアス電源43は、D1に印加してガイガーモード状態に保持するためのバイアス電圧を印加する電源である。 The bias power supply 43 is a power supply that applies a bias voltage to D1 to maintain it in the Geiger mode.
電流検出装置44は、D1で生成されたパルス電流を検出し、電圧信号に変換するものである。 The current detection device 44 detects the pulse current generated by D1 and converts it into a voltage signal.
以上のような構成を有するMPPC4を用いることにより、サンプル13から放出された2次電子、反射された反射電子を一定エネルギーにしてシンチレータ9で光に変換した後、当該MPPC4で超高速かつ高精度に増幅して検出することが可能となる。
次に、図6のMPPCについて特徴を説明する。
By using an MPPC4 having the above-described configuration, secondary electrons emitted from the sample 13 and reflected electrons are converted to light by the scintillator 9 at a constant energy, and then amplified and detected at ultra-high speed and with high precision by the MPPC4.
Next, the features of the MPPC in FIG. 6 will be described.
図6に示すような数ミクロン角の小さなAPD(D1)を数十から数万個以上の大量に並列配置した全体として数mm角のデバイスがMPPC4である。このMPPC4は浜松フォトニクス(登録商標)等から購入できる。これよりも小さなデバイスを作製して用いても良い。従来のPMT(光増倍管)と比較して1万分の1以下の体積しかない。シリコンからなる板状の固体素子であり、PMTのようなガラスや真空封じ部分を持たないため非常に堅牢である。デバイス単体の重さはgオーダーと非常に軽い。 The MPPC4 is a device with an overall size of several mm square, consisting of tens to tens of thousands of small APDs (D1) with a square of several microns as shown in Figure 6, arranged in parallel. This MPPC4 can be purchased from Hamamatsu Photonics (registered trademark) and other companies. It is also possible to fabricate and use devices smaller than this. It has a volume that is less than one ten-thousandth of that of a conventional PMT (photomultiplier tube). It is a plate-shaped solid element made of silicon, and is very robust as it does not have glass or vacuum-sealed parts like a PMT. The weight of the device alone is very light, on the order of grams.
MPPC4を構成する各APD(D1)は、図6の(c)に示すように、クエンチング抵抗R1と呼ばれる、雪崩増幅制御用の抵抗を介して電気的に並列に接続されている。並列回路の一端は50Vから100V程度の雪崩現象を制御するためのバイアス電源43に接続され、もう一端はヴァーチャルアース入力の電流検出装置44に接続される。MPPC4のアレイを構成する各APD(D1)には僅かながら特性バラつきがあるので、アレイ全体に印加するバイアス電圧はアレイを形成する全てのAPD(D1)素子がガイガーモードになるように実験的に決定する。各ガイガーモードにあるAPDは光子が一個入力されると増幅率が100万倍にも達する雪崩増幅が起こる。もちろん他の増幅率を持つ電圧に設定してもよい。 As shown in FIG. 6(c), each APD (D1) constituting the MPPC4 is electrically connected in parallel via a resistor for controlling avalanche amplification, called a quenching resistor R1. One end of the parallel circuit is connected to a bias power supply 43 for controlling the avalanche phenomenon of about 50V to 100V, and the other end is connected to a current detection device 44 with a virtual earth input. Since there is slight variation in the characteristics of each APD (D1) constituting the array of the MPPC4, the bias voltage applied to the entire array is experimentally determined so that all APD (D1) elements constituting the array are in Geiger mode. When a single photon is input to each APD in Geiger mode, avalanche amplification occurs with an amplification rate of up to 1 million times. Of course, a voltage with a different amplification rate may be set.
各APDには電流制限用の決まった値を持つクエンチング抵抗R1が接続されており、端子には一定の電圧が印加されているので、雪崩増幅が起こるとAPDの電気抵抗は無視できるほど小さくなり、丁度スイッチのように働くためクエンチング抵抗R1に一定の電流が流れる。各APDは並列に接続されているので、出力端に接続された電流検出装置44には、各APDで生じた雪崩電流の総和が出力される。 A quenching resistor R1 with a fixed value for current limiting is connected to each APD, and a constant voltage is applied to the terminals, so when avalanche amplification occurs, the electrical resistance of the APD becomes negligibly small and acts just like a switch, causing a constant current to flow through the quenching resistor R1. Since each APD is connected in parallel, the sum of the avalanche currents generated in each APD is output to the current detection device 44 connected to the output terminal.
MPPC4には大量のAPDが空間的に広がって配置してあるので、入射された光子が同じAPDに入射する確率は極めて小さい。そのため例えばMPPD4に1個の光子が入力されれば1単位の電流が生じ、同時にN個の光子が入力されればN単位の電流が生じる。この性質から何個の光子あるいは電子がMPPC4に同時入射したかを出力電流から知ることが出来る。出力信号は入射光子数に比例したアナログ信号なので、AD変換装置を使ってデジタル信号に変換しPCに取り込んで画像化に用いる。各APD素子が出力する電流はクエンチング抵抗R1の値に依存し厳密には一定ではないので、厳密に一定になるように、コンピュータ上で規格化処理を行っても良い。 Since MPPC4 has a large number of APDs arranged spatially, the probability that incident photons will be incident on the same APD is extremely small. Therefore, for example, when one photon is input to MPPD4, one unit of current is generated, and when N photons are input simultaneously, N units of current are generated. Due to this property, it is possible to know from the output current how many photons or electrons are simultaneously incident on MPPC4. Since the output signal is an analog signal proportional to the number of incident photons, it is converted to a digital signal using an AD converter and imported into a PC for use in imaging. The current output by each APD element depends on the value of quenching resistor R1 and is not strictly constant, so a standardization process can be performed on a computer to make it strictly constant.
また、信号加算方式として各APDが雪崩状態にあるか否かをシリコンチップ内部で一旦0,1のデジタル信号に変換した後に、デジタル積和演算を行って、雪崩状態にあるAAPDの個数を算出しMPPC4全体の総出力とする方式のデジタルMPPCを用いることも出来る。この場合は予め出力がデジタル信号に変換されているので、AD変換装置でデジタル信号に変換する必要は無い。また、信号加算結果は非常に正確である。このような集積化ICでは、チップ内部で画像処理を行うことも出来る。 As a signal summing method, a digital MPPC can be used in which whether or not each APD is in an avalanche state is first converted into a digital signal of 0 or 1 inside the silicon chip, and then a digital product-sum operation is performed to calculate the number of APDs in an avalanche state, which is used as the total output of the entire MPPC4. In this case, since the output has already been converted into a digital signal, there is no need to convert it into a digital signal using an AD conversion device. Furthermore, the signal summation results are very accurate. With such an integrated IC, image processing can also be performed inside the chip.
図7は、本発明の検出器機例(その2)を示す。図7は、検出器34を構成する第1検出器、第2検出器であるシンチレータ9、MPPC4を、図1の装置に組み込んだ場合の概略構成を示すものである。
Figure 7 shows an example (part 2) of the detector of the present invention. Figure 7 shows a schematic configuration when the first detector constituting the
図7の(a-1)は検出器34の上面図を示し、図7の(a-2)は断面図を示し、これらはメッシュ10が無い場合の構成例を示す。
Figure 7 (a-1) shows a top view of the
図7の(a-1)において、MPPC4は中心に1次電子ビーム用穴を開けられ、この穴の部分を上から下方向に1次電子ビームが通過し、図1の対物レンズ12で細く絞られてサンプル13の上を照射しつつ平面走査する。
In (a-1) of Figure 7, the
図7の(a-2)は、断面図を示す。サンプル13から放出された2次電子は、シンチレータ9に印加された正の電圧(例えばここでは5KV)で加速・吸引されて当該シンチレータ9に衝突し、2次電子を光に変換する。変換された光は、MPPC4に入射し、増幅されて信号を出力する。この際、シールド管41に負の電圧を印加し、2次電子が軸上を上方向に走行することを抑止し、シンチレータ9に印加された正の電圧の方向に走行し、2次電子の集光効率を良好にする。
(a-2) in Figure 7 shows a cross-sectional view. Secondary electrons emitted from the sample 13 are accelerated and attracted by the positive voltage (for example, 5 kV in this case) applied to the scintillator 9, collide with the scintillator 9, and convert the secondary electrons into light. The converted light enters the
また、図7の(b-1),(b-2)は、メッシュ10を図示のサンプル13とシンチレータ9との間に設け、メッシュ10とシンチレータ9との間に正の加速電圧(図示では5KV)を印加(図7の(a-1),(a-2)では正の電圧をサンプル13とシンチレータ9との間に印加)し、かつサンプル13とメッシュ10との間にも正の電圧(例えば数Vないし数十V)を印加し、サンプル13から放出された2次電子を効率良好に補集するようにしたものである。他は、図7の(a-1),(a-2)と同様であるので、説明を省略する。
In addition, in (b-1) and (b-2) of FIG. 7, a
ここで、図7の構成を詳細に説明する。 Here, we explain the configuration in Figure 7 in detail.
図7において、図1の電子銃1で発生して加速した1次電子ビーム31をサンプル13の直上に配置した対物レンズ12で所望のビームスポットサイズに成るように縮小してからサンプル13の表面に走査し、サンプル13の表面で生じた2次電子や反射電子などの信号電子をシンチレータ9とMPPC4とかなる検出器で検出する。信号電子は1次電子ビーム31が照射されたサンプル13の表面の点から垂直方向に円錐状に広がりながら上昇してくるため、信号電子は1次電子ビーム軸に対して軸対称に分布しやすい。信号電子を効率よく検出するためには、1次電子が通過するための穴(1次電子ビーム用穴)を検出器の中心に設け、1次電子ビーム軸の近傍に配置する必要がある。
In FIG. 7, the primary electron beam 31 generated and accelerated by the
そのため、図7の(a-1),(b-1)に示すように、MPPC4の受光面に直接にシンチレータ9を設け、シンチレータ9の表面には薄いアルミ導電性薄膜が被覆してある。アルミ薄膜は、入射する電子がシンチレータ9の表面に帯電するのを防止するのが主な目的であるが、シンチレータ9が発生した光がMPPC4の外に漏れて来ないように反射防止膜としても機能する。MPPC4の上のシンチレータ9は屈折率を考慮した接着剤で付けても良いし、シンチレータ9を直接蒸着やCVDあるいはスパッタ等で堆積しても良い。シンチレータ9としては、無機シンチレータ、直接遷移型半導体シンチレータ、セラミック材料や重原子含有プラスチック・シンチレータ、内殻遷移の発光を用いるハロゲン化物シンチレータあるいは液体等を用いることができる。
For this reason, as shown in (a-1) and (b-1) of FIG. 7, a scintillator 9 is provided directly on the light receiving surface of the
また、1次電子ビームが通過する穴(1次電子ビーム用穴)があり、周辺部の電界や磁界が1次電子ビームに影響しないようにシールド管41が設けられている。1次電子ビームはシールド管41の中を通過する。シールド管41は非磁性材料で出来ており、直径数mm幅、厚みは1mm以下である。検出器とシールド管41の間にはどうしても隙間が出来る。隙間に電子が当たると検出されないため、導電性の傘形状をした部材を用いて電界を外に張り出し、電子を反発させて、隙間に電子が入り込まずに検出器の方に向かうようにしている。 There is also a hole (primary electron beam hole) through which the primary electron beam passes, and a shield tube 41 is provided to prevent the electric and magnetic fields in the surrounding areas from affecting the primary electron beam. The primary electron beam passes through the shield tube 41. The shield tube 41 is made of a non-magnetic material, with a diameter of a few mm and a thickness of 1 mm or less. A gap inevitably forms between the detector and the shield tube 41. If electrons hit the gap, they will not be detected, so a conductive umbrella-shaped member is used to extend the electric field outward, repelling the electrons so that they do not enter the gap and head towards the detector.
また、検出器の目前でシンチレータ9を光らせるための電子加速を行う場合は、図7(b-1),(b-2)に示すように、シンチレータ9から数mm離した所に開口率が高い(90%以上が望ましい)導電性のメッシュ10を配置して、メッシュ10とシンチレータ表面に設けた導電性薄膜の間に1から10kV程度の電圧を掛ける。メッシュ10
自身にも、サンプル13の表面で発生した信号電子が到達するように、サンプル13に対して10V程度僅かにプラスに電位を掛けておくことが望ましい。放電しないようにこの空間は10のマイナス3乗パスカルより高い真空状態に保つことが望ましい。
When accelerating electrons to make the scintillator 9 glow in front of the detector, as shown in Figures 7(b-1) and 7(b-2), a
It is desirable to apply a slight positive potential of about 10 V to the sample 13 so that the signal electrons generated on the surface of the sample 13 can reach the sample itself. It is desirable to maintain this space in a vacuum state of more than 10-3 Pascals to prevent discharge.
図8は、本発明の検出器例(その3)を示す。1次電子ビームをリング状にし、対物レンズ12で1つの細い点に絞ってサンプル13を照射しつつ平面走査する場合の概略構成を示す。他は図7と同様であるので説明を省略する。
Figure 8 shows an example (part 3) of a detector of the present invention. It shows a schematic configuration in which the primary electron beam is made ring-shaped and focused to a single fine point by the
図8の(a-1)は検出器34の上面図を示し、図8の(a-2)は断面図を示し、これらはメッシュ10が無い場合の構成例を示す。
Figure 8 (a-1) shows a top view of the
図8の(a-1)において、MPPC4はリング状に1次電子ビーム用リング状穴を開けられ、この穴の部分を上から下方向にリング状の1次電子が通過し、対物レンズ12で細く絞られて点となり、サンプル13の上を照射しつつ平面走査する。
In (a-1) of FIG. 8, the
図8の(a-2)は、断面図を示す。サンプル13から放出された2次電子は、シンチレータ9に印加された正の電圧(例えば5KV)で加速・吸引されて当該シンチレータ9に衝突し、2次電子を光に変換する。変換された光は、MPPC4に入射し、増幅されて信号を出力する。この際、リング状のシールド管41に負の電圧を印加し、2次電子が軸上を上方向に走行することを抑止し、シンチレータ9に印加された正の電圧の方向に走行し、2次電子の集光効率を良好にする。この際、シンチレータ9、MPPC4とから構成される検出器の中心部分で2次電子、反射電子を検出することが可能となり、検出効率を高めることが可能となる。
(a-2) in FIG. 8 shows a cross-sectional view. Secondary electrons emitted from the sample 13 are accelerated and attracted by the positive voltage (e.g., 5 kV) applied to the scintillator 9, collide with the scintillator 9, and convert the secondary electrons into light. The converted light enters the
また、図8の(b-1),(b-2)は、メッシュ10を図示のサンプル13とシンチレータ9との間に設け、メッシュ10とシンチレータ9との間に正の加速電圧(図示では5KV)を印加(図8の(a-1),(a-2)では正の電圧をサンプル13とシンチレータ9との間に印加)し、かつサンプル13とメッシュ10との間にも正の電圧(例えば数Vないし数十V)を印加し、サンプル13から放出された2次電子を効率良好に補集するようにしたものである。他は、図8の(a-1),(a-2)と同様であるので、説明を省略する。この際、シンチレータ9、MPPC4とから構成される検出器の中心部分で2次電子、反射電子を検出することが可能となり、検出効率を高めることが可能となる。
In addition, in (b-1) and (b-2) of FIG. 8, the
ここで、図8は、1次電子ビームとして中空電子ビーム(ホロビーム)を用いることに特徴がある。中空電子ビームはリング状のビームであり、大電流電子ビームを利用する時に電子同士の反発を防止する意味で使用される場合がある。通常のビームと同じように対物レンズ12によってサンプル13の表面の1点に絞ることが出来る、
図8の(a-1)、(b-1)に示すように、中心部にもシンチレータ9を配置してその周辺部に1次電子が通過するリング状のシールド管41を設ける。必要に応じて、リング状のシールド管41の外側にもシンチレータ9を配置することが出来る。このようにすることで、サンプル13の表面で発生した電子(2次電子、反射電子など)が完全に垂直方向に上昇した場合でも、真上に存在するシンチレータ9できちんと検出できる特徴がある。1次電子ビーム軸の周辺部に飛んだ信号電子はリング状のシールド管41の外側に配置したシンチレータ9で検出される。
Here, Fig. 8 is characterized by the use of a hollow electron beam (hollow beam) as the primary electron beam. A hollow electron beam is a ring-shaped beam, and is sometimes used to prevent electrons from repelling each other when a high-current electron beam is used. Like a normal beam, it can be focused to a single point on the surface of the sample 13 by the
As shown in (a-1) and (b-1) of Figure 8, a scintillator 9 is also placed in the center, and a ring-shaped shield tube 41 through which primary electrons pass is provided around it. If necessary, a scintillator 9 can also be placed outside the ring-shaped shield tube 41. By doing so, even if electrons (secondary electrons, reflected electrons, etc.) generated on the surface of the sample 13 rise completely vertically, they can be properly detected by the scintillator 9 located directly above. Signal electrons that fly to the periphery of the primary electron beam axis are detected by the scintillator 9 placed outside the ring-shaped shield tube 41.
図9は、本発明の検出器例(その4)を示す。図9は、検出器34を構成する第1検出器、第2検出器であるシンチレータ9、MPPC4を円周方向に例えば4分割し、図1の装置に組み込んだ場合の概略構成を示すものである。
Figure 9 shows an example (part 4) of a detector of the present invention. Figure 9 shows a schematic configuration in which the first detector, the scintillator 9, and the
図9の(a-1)は検出器34の上面図を示し、図9の(a-2)は断面図を示し、これらはメッシュ10が無い場合の構成例を示す。
Figure 9 (a-1) shows a top view of the
図9の(a-1)において、MPPC4は中心に1次電子ビーム用穴を開けられ、周囲の部分は円周方向に4分割され、各部分は衝立431で電子や光が隣接する各部分に入らないように遮断され、中心の穴の部分を上から下方向に1次電子ビームが通過し、図1の対物レンズ12で細く絞られてサンプル13の上を照射しつつ平面走査する。
In (a-1) of Figure 9, the
図7の(a-2)は、断面図を示す。サンプル13から放出された2次電子は、4分割されたシンチレータ9に印加された正の電圧(例えば5KV)で加速・吸引されて当該シンチレータ9に衝突し、2次電子を光に変換する。変換された光は、4分割されたMPPC4に入射し、増幅されて信号を出力する。この際、シールド管41に負の電圧を印加し、2次電子が軸上を上方向に走行することを抑止し、4分割されたシンチレータ9に印加された正の電圧の方向に走行し、2次電子の集光効率を良好にする。
(a-2) in FIG. 7 shows a cross-sectional view. Secondary electrons emitted from the sample 13 are accelerated and attracted by a positive voltage (e.g., 5 kV) applied to the four-divided scintillator 9, collide with the scintillator 9, and convert the secondary electrons into light. The converted light enters the four-divided
また、図9の(b-1),(b-2)は、メッシュ10を図示のサンプル13とシンチレータ9との間に設け、サンプル13と4分割されたシンチレータ9との間に正の加速電圧(図示では5KV)を印加し、かつ4分割されたシンチレータ9とメッシュ10との間にも正の電圧(例えば50V)を印加し、サンプル13から放出された2次電子を効率良好に補集するようにしたものである。他は、図7の(a-1),(a-2)と同様であるので、説明を省略する。
In addition, in (b-1) and (b-2) of FIG. 9, a
ここで、図9の構成を詳細に説明する。図9は4CH(4分割)の検出器を利用した場合を示す。4CHの検出器は、サンプル13の表面で発生する電子の飛び出す方向に関する情報を得るために利用する。検出された各CHの信号を足したり引いたりすることで、必要な成分を抽出して電子の飛び出している方向を知ることが出来る。3Dの情報を得ることが出来る。各検出器が出力する感度は必ずしも均一では無いので、適当な係数を掛けることで各チャンネルの出力感度が同じに成るように校正して用いる。これらの情報を利用するとサンプル13の表面構造のエッジ情報の強調や、3D情報を取得することが出来るようになる。 Here, the configuration in Figure 9 will be explained in detail. Figure 9 shows the case where a 4CH (4-division) detector is used. The 4CH detector is used to obtain information about the direction in which electrons generated on the surface of the sample 13 are emitted. By adding and subtracting the detected signals of each CH, it is possible to extract the necessary components and determine the direction in which the electrons are emitting. 3D information can be obtained. Since the sensitivity output by each detector is not necessarily uniform, the detectors are used after being calibrated so that the output sensitivity of each channel is the same by multiplying them by an appropriate coefficient. By using this information, it is possible to emphasize the edge information of the surface structure of the sample 13 and obtain 3D information.
また、図9に示すように1次電子ビームが通過する場所にはシールド管41を設け、1次電子ビームの軸に対して軸対称になるように電気的に独立した検出器を配置する。高さも同じに成るようにする。検出器の配置は平面状だけでなく、1次電子ビーム軸に沿って高さ方向に立体的に配置しても良い。 As shown in FIG. 9, a shield tube 41 is provided where the primary electron beam passes, and electrically independent detectors are arranged so as to be axially symmetrical with respect to the axis of the primary electron beam. They are also arranged at the same height. The detectors may be arranged not only in a planar manner, but also three-dimensionally in the height direction along the axis of the primary electron beam.
また、1次電子ビームが通過するシールド管41から四方に衝立状の電極を伸ばして、シンチレータ9を取り囲んで検出器に飛来する信号電子の検出範囲を分離することが出来る。シールド管41および衝立431には、信号電子に対して反発力を生じるバイアス電圧が印加されている。サンプル13から来た電子はこの反発力により、シンチレータ9の方に曲がって飛んでいく。信号電子はそれぞれの検出器で検出され、増幅装置に電気信号が送られる。 In addition, by extending partition-like electrodes in all four directions from the shield tube 41 through which the primary electron beam passes, it is possible to surround the scintillator 9 and separate the detection range of the signal electrons that fly to the detector. A bias voltage that generates a repulsive force against the signal electrons is applied to the shield tube 41 and the partitions 431. Due to this repulsive force, the electrons coming from the sample 13 are bent and fly towards the scintillator 9. The signal electrons are detected by each detector, and an electrical signal is sent to the amplifier.
図10は、本発明の検出器例(その5)を示す。図10は、検出器34を構成する第1検出器、第2検出器であるシンチレータ9、MPPC4を円周方向に例えば4分割、かつライトガイド45(図10の(a-1),(a-2))、レンズ46(図10の(b-1)、(b-2))で光を集束してより小さいMPPC4を用い、これを図1の装置に組み込んだ場合の概略構成を示すものである。
Figure 10 shows an example (part 5) of a detector of the present invention. Figure 10 shows a schematic configuration in which the first detector constituting the
図10の(a-1)は検出器34の上面図を示し、図10の(a-2)は断面図を示し、これらはメッシュ48が無い場合の構成例を示す。
Figure 10 (a-1) shows a top view of the
図10の(a-1)において、MPPC4は中心に1次電子ビーム用穴を開けられ、周囲の部分は円周方向に4分割され、各部分は衝立47で電子や光が隣接する各部分に入らないように遮断され、中心の穴の部分を上から下方向に1次電子ビームが通過し、図1の対物レンズ12で細く絞られてサンプル13の上を照射しつつ平面走査する。
In (a-1) of Figure 10, the
図10の(a-2)は、断面図を示す。サンプル13から放出された2次電子は、4分割されたシンチレータ9に印加された正の電圧(例えば5KV)で加速・吸引されて当該シンチレータ9に衝突し、2次電子を光に変換する。変換された光は、4分割されたMPPC4に入射し、増幅されて信号を出力する。この際、シールド管41に負の電圧を印加し、2次電子が軸上を上方向に走行することを抑止し、4分割されたシンチレータ9に印加された正の電圧の方向に走行し、2次電子の収集効率を良好にする。
Figure 10 (a-2) shows a cross-sectional view. Secondary electrons emitted from the sample 13 are accelerated and attracted by a positive voltage (e.g., 5 kV) applied to the four-divided scintillator 9, collide with the scintillator 9, and convert the secondary electrons into light. The converted light enters the four-divided
また、図10の(b-1),(b-2)は、メッシュ48を図示のサンプル13とシンチレータ9との間に設け、サンプル13と4分割されたシンチレータ9との間に正の加速電圧(図示では50V)を印加し、かつ4分割されたシンチレータ9とメッシュ10との間にも正の電圧(例えば5KV)を印加し、サンプル13から放出された2次電子を効率良好に補集するようにしたものである。また、図10の(b-2)では、図10の(a-2)のライトガイド45の代わりに、レンズ46を用いてシンチレータ9で発生した光を小さいMPPC4に導くようにしている。他は、図10の(a-1),(a-2)と同様であるので、説明を省略する。
In addition, in (b-1) and (b-2) of FIG. 10, a mesh 48 is provided between the sample 13 and the scintillator 9 shown in the figure, a positive acceleration voltage (50 V in the figure) is applied between the sample 13 and the four-part scintillator 9, and a positive voltage (for example, 5 KV) is also applied between the four-part scintillator 9 and the
ここで、図10の構成を詳細に説明する。図10は、電子ビーム照射によりシンチレータ9で発生した光を縮小してMPPC4に照射する例を示す。MPPC4は単一のAPDとは異なり、MPPC4の全体の面積を増やしても、各APDの電気容量が増加しないため、電子検出速度の劣化は見られないという優れた特徴がある。しかしながら、MPPC4の面積が大きくなると、面積に比例してダークノイズと呼ばれる、熱雑音に起因したノイズが増加する。このノイズは絶対温度に比例するので、冷却すれば減少できるが、真空装置内部に冷却装置を持つと、装置が極めて複雑となり、体積が増加し、かつ、コストも上がりメインテナンスも大変になるため、MPPC4の良いところが消えてしまいかねない。一方、MPPC4の面積を小さくすると電子の検出効率が下がり、画像SNRが劣化する。 Here, the configuration of FIG. 10 will be described in detail. FIG. 10 shows an example in which light generated by the scintillator 9 due to electron beam irradiation is reduced and irradiated to the MPPC4. Unlike a single APD, the MPPC4 has the excellent feature that even if the total area of the MPPC4 is increased, the electrical capacity of each APD does not increase, so there is no deterioration in the electron detection speed. However, as the area of the MPPC4 increases, noise caused by thermal noise, called dark noise, increases in proportion to the area. This noise is proportional to the absolute temperature, so it can be reduced by cooling, but if a cooling device is provided inside the vacuum device, the device becomes extremely complex, the volume increases, and the cost and maintenance become difficult, so that the good points of the MPPC4 may disappear. On the other hand, if the area of the MPPC4 is reduced, the electron detection efficiency decreases and the image SNR deteriorates.
本発明では、この点に注目し、電子検出効率を高く保ちながら、MPPC4の面積は出来るだけ小さくすることに成功した。まず、サンプル13の表面で発生する電子を光に変換するシンチレータ9の面積は必要十分に出来るだけ大きく取る。具体的には、実験あるいは電子軌道シミュレーションを用いて、信号電子が飛来する場所を求め、その場所に必要十分な大きさを持つシンチレータ9を配置する。
In this invention, we have focused on this point and succeeded in making the area of the
これにより、サンプル13の表面で発生した信号電子の検出効率を高める。一方、シンチレータ9で発生した光は光学素子を用いて収束あるいはその断面積を縮小した後(図10の(a-2)のライトガイド45、図10の(b-2)のレンズ46などで縮小した後)に、MPPC4に照射する。このようにすると、電子検出効率の高さは大きなシンチレータ9によって担保され、ダークノイズの小ささは出来るだけ小さなMPPC4を用いることで実現される。
This increases the detection efficiency of signal electrons generated on the surface of the sample 13. Meanwhile, the light generated by the scintillator 9 is focused or its cross-sectional area is reduced using optical elements (reduced by the light guide 45 in (a-2) of Figure 10 or the lens 46 in (b-2) of Figure 10) before being irradiated onto the
ここで、用いるMPPC4には出来る限りAPDアレイを構成する各APDの寸法が小さく(数ミクロン以下)素子数が数万個以上、MPPC4の面積が1平方mm以下が望ましい。シンチレータ9で発生した光を縮小するためには、図10の(a-2)に示すように、ライトガイド45を用いる方法や図10の(b-2)に示す光学レンズ46を用いる方法などがある。更に、反射鏡、フレネルレンズやホログラフィックレンズ、回折素子を用いることで縦方向の寸法を短くする効果を得ることも出来る。ライトガイド等をフォトン検出デバイスに接触させて用いる場合には、不要な反射が起こって信号損失を起こさないように接触する部材の屈折率を合わせ、反射防止用の膜を新たに挿入することが望ましい。更に、MPPC4に入射する波長成分を選択するために、波長選択用光学フィルターを間に入れてもよい。 Here, it is desirable that the dimensions of each APD constituting the APD array in the MPPC4 used are as small as possible (several microns or less), the number of elements is tens of thousands or more, and the area of the MPPC4 is 1 square mm or less. In order to reduce the light generated by the scintillator 9, there are a method using a light guide 45 as shown in FIG. 10 (a-2) and a method using an optical lens 46 as shown in FIG. 10 (b-2). Furthermore, it is possible to obtain the effect of shortening the vertical dimension by using a reflecting mirror, a Fresnel lens, a holographic lens, or a diffraction element. When using a light guide or the like in contact with the photon detection device, it is desirable to match the refractive index of the contacting members and insert a new anti-reflection film to prevent unnecessary reflection from occurring and signal loss. Furthermore, a wavelength selection optical filter may be inserted in between to select the wavelength component incident on the MPPC4.
図11は、本発明の他の実施例構成図(その1)を示す。この図11は、サンプル13から放出された電子が加速されてシンチレータ9を発光させた光を、ライトガイド91で面積縮小し、シンチレータ9の面積よりも小さなMPPC4に入射する例を示す。他の構成は図1と同様であるので、説明を省略する。
Figure 11 shows a diagram of another embodiment of the present invention (part 1). This figure shows an example in which the light emitted by the scintillator 9, which is generated by accelerating electrons emitted from the sample 13, is reduced in area by a light guide 91 and enters an
図11において、ライトガイド91は、ガラスやアクリル等の単一素材やガラスファイバー等の束からなるものである。 In FIG. 11, the light guide 91 is made of a single material such as glass or acrylic, or a bundle of glass fibers.
MPPC4は、一辺が数ミクロン角のAPDを大量にアレイ状に並べたデバイスである。APDはバイアス電圧を印加していくと、最初は普通のフォトダイオードが示す増幅率である。しかし、50V程度の閾値電圧を超えると一気に増幅率が上昇し、ついにはガイガーモードと呼ばれる、1個の電子(あるいは光子)が入射すると100万倍近くの増幅を行う動作モードに達する。ガイガーモードではMPPC4の外部から入射した一個の電子を検出出来る感度を持つが、内部の熱揺らぎによって1個の電子が発生した場合も同様の増幅を行うため、1つだけ入射した電子(光子)と熱によって発生した電子を区別することは出来ない。従ってこれらはノイズの原因に成る。熱電子の発生は、APDの面積に比例する。つまり、APDの面積が大きいほど熱電子の発生頻度は多くなり、雑音が増加する。 The MPPC4 is a device in which a large number of APDs, each measuring several microns on a side, are arranged in an array. When a bias voltage is applied to an APD, the gain is initially the same as that of a normal photodiode. However, once the threshold voltage of about 50V is exceeded, the gain increases dramatically, and finally it reaches an operating mode called Geiger mode, in which a single electron (or photon) is amplified by nearly one million times when it is incident. In Geiger mode, the sensitivity is such that a single electron incident from outside the MPPC4 can be detected, but the same amplification is performed when a single electron is generated due to internal thermal fluctuations, so it is not possible to distinguish between a single incident electron (photon) and an electron generated by heat. These therefore become a source of noise. The generation of thermal electrons is proportional to the area of the APD. In other words, the larger the area of the APD, the more frequently thermal electrons are generated, and the greater the noise.
一方、サンプル13から放出される信号電子は、広い範囲に渡って散らばって放出されるため、信号電子を効率よく検出するためには、検出器は出来るだけ大きな面積を持っていた方が有利である。 On the other hand, since the signal electrons emitted from the sample 13 are scattered over a wide range, it is advantageous for the detector to have as large an area as possible in order to detect the signal electrons efficiently.
以上のように2つの要求はお互いに矛盾する。本発明ではこの矛盾を解決するために、電子を検出するためのシンチレータ9の面積は出来るだけ大きく取り、シンチレータ9で発生した光を縮小することで、出来るだけ小さな面積を持つMPPC4に入力することにより、高検出効率と低雑音を両立する方法を見つけた。図11では、入射側と出射側の面積比が異なるライトガイド91を用い、面積の広い方はシンチレータ9に接続を行い、面積の小さい方はフォトン検出装置であるMPPC4に接続した例を示す。
As described above, these two requirements are in conflict with each other. In order to resolve this conflict, the present invention has found a way to achieve both high detection efficiency and low noise by making the area of the scintillator 9 for detecting electrons as large as possible and reducing the light generated by the scintillator 9 so that it can be input to the
大きな面積を持つシンチレータ9で発生した光は、ライトガイド91により縮小されて、小さな面積を持つフォトン検出装置であるMPPC4に導かれ、電流に変換される。このようにすることで高効率検出と低ダークノイズの両立が実現できる。
The light generated by the large-area scintillator 9 is reduced in size by the light guide 91 and guided to the
図12は、本発明の他の実施例構成図(その2)を示す。この図12は、サンプル13から放出された電子が加速されてシンチレータ9を発光させた光を、レンズ51で面積縮小し、シンチレータ9の面積よりも小さなMPPC4に入射する例を示す。他の構成は図1と同様であるので、説明を省略する。
Figure 12 shows a diagram of another embodiment of the present invention (part 2). This figure shows an example in which the light emitted by the scintillator 9 due to the acceleration of electrons emitted from the sample 13 is reduced in area by a lens 51 and enters an
図12において、レンズ51は、光を縮小するレンズである。図では1枚レンズ構成を示しているが、複数のレンズを用いても良い。例えば平行ビームを入射すると縮小された平行ビームが出射するようなレンズ系を用いても良い。サンプル13に1次電子ビームを照射して発生した信号電子はメッシュ10などに印加された正の電圧(例えば10KV)に加速・吸引されてシンチレータ9に衝突する。衝突した電子は大量に光を放出する。放出された光をレンズ51で断面積が10分の1以下になるように集光して面積縮小し、フォトン検出デバイスであるMPPC4に入射する。入射した光を受けてMPPC4は増幅して検出電流を出力する。 In FIG. 12, lens 51 is a lens that reduces light. Although the figure shows a single lens configuration, multiple lenses may be used. For example, a lens system may be used in which a reduced parallel beam is emitted when a parallel beam is incident. Signal electrons generated by irradiating sample 13 with a primary electron beam are accelerated and attracted by a positive voltage (e.g., 10 kV) applied to mesh 10, etc., and collide with scintillator 9. The colliding electrons emit a large amount of light. The emitted light is focused by lens 51 so that the cross-sectional area is reduced to one-tenth or less, and the area is reduced, and the light is incident on MPPC4, a photon detection device. MPPC4 receives the incident light, amplifies it, and outputs a detection current.
以上のような構成を採用することにより、MPPC4の面積はシンチレータ9の面積の10分の1以下になるため、シンチレータ9と同じ面積のMPPC4を用いた場合と比較してダークノイズを10分の1以下にすることが可能となる。 By adopting the above configuration, the area of the MPPC4 is less than one-tenth the area of the scintillator 9, making it possible to reduce dark noise to one-tenth or less compared to when an MPPC4 with the same area as the scintillator 9 is used.
図13は、本発明の他の実施例構成図(その3)を示す。図13は、電子レンズ53を用い信号電子(2次電子、反射電子など)を縮小して検出器(シンチレータ9+MPPC4)に入力した構成例である。他の構成は図11、図12と同じであるので説明を省略する。 Figure 13 shows a diagram of another embodiment of the present invention (part 3). Figure 13 shows an example of a configuration in which signal electrons (secondary electrons, reflected electrons, etc.) are reduced using an electron lens 53 and input to a detector (scintillator 9 + MPPC 4). The rest of the configuration is the same as in Figures 11 and 12, so a description will be omitted.
図13において、電子レンズ53は、サンプル13からの信号電子(サンプル13から放出された2次電子、反射された反射電子など)を当該電子レンズ531の開口よりも小さい面積に縮小する電子レンズであって、静電レンズ、磁界レンズである。ここでは、シンチレータ9に入射する前に、サンプル13の表面で発生して漂っている信号電子(2次電子など)を予め第1の開口を持つ静電レンズあるいは磁界レンズ等の電子レンズ531を用いて断面積を縮小してエネルギー加速した後に、第1の開口よりも小さな面積を有するシンチレータ9あるいはその部分に照射する構成に特徴がある。信号電子を第1の開口よりも小さなサイズのフォトン検出装置であるMPPC4で検出する。 In FIG. 13, the electron lens 53 is an electrostatic lens or a magnetic lens that reduces the signal electrons (secondary electrons emitted from the sample 13, reflected electrons, etc.) from the sample 13 to an area smaller than the aperture of the electron lens 531. Here, the signal electrons (secondary electrons, etc.) generated and floating on the surface of the sample 13 are accelerated by reducing their cross-sectional area using an electron lens 531 such as an electrostatic lens or a magnetic lens with a first aperture before being incident on the scintillator 9, and then irradiated onto the scintillator 9 or a part thereof having an area smaller than the first aperture. The signal electrons are detected by the MPPC4, a photon detection device smaller in size than the first aperture.
以上のように構成することにより、シンチレータ9もMPPC4も双方とも小さくすることが出来る。そのため、ダークノイズを下げることはもちろん、小さなシンチレータ9のサイズで良いためシンチレータ9のコストを下げることが出来る。また、MPPC4のサイズを小さく出来るので鏡筒内の配置に自由度が生まれる。レンズやライトガイドを介さないので、信号損失が小さく出来、高品質な画像形成に寄与する。このように検出器が非常に小さく出来るので、1つの電子ビーム装置の中に、多数を配置し多くの電子ビームを同時にサンプル13の表面に照射したさいに生じる信号電子群を同時に測定できるようになる。 By configuring as described above, both the scintillator 9 and the MPPC4 can be made small. This not only reduces dark noise, but also reduces the cost of the scintillator 9, as a small scintillator 9 is sufficient. Furthermore, since the size of the MPPC4 can be made small, there is more freedom in its placement within the telescope tube. As no lenses or light guides are used, signal loss can be reduced, contributing to the formation of high-quality images. As the detector can be made very small in this way, it is possible to place many of them in a single electron beam device and simultaneously measure the signal electron groups that are generated when many electron beams are irradiated simultaneously onto the surface of the sample 13.
図14は、本発明の他の検出器説明図(その1)を示す。図14の(a)は全体構成図を示し、図14の(b)は電子ビームアパチャの例を示す。 Figure 14 shows an explanatory diagram (part 1) of another detector of the present invention. Figure 14(a) shows the overall configuration diagram, and Figure 14(b) shows an example of an electron beam aperture.
図14の(a)において、照射レンズ51は、電子銃1で発生させた1次電子ビームを並行にするものである。
In FIG. 14(a), the projection lens 51 collimates the primary electron beam generated by the
電子ビームアパチャ52は、並行にされた1次電子ビームから所定の細い部分を複数、抽出して複数の1次電子ビームを形成するためのものであって、例えば図14の(b)に示すように、円形の絞りを複数設けたものである。このようなアパチャーは電気的に開閉できるブランキング式のアパチャーを用いても良い。 The electron beam aperture 52 is used to extract multiple narrow portions from the parallel primary electron beam to form multiple primary electron beams, and is provided with multiple circular apertures, for example as shown in FIG. 14(b). Such an aperture may be a blanking type aperture that can be opened and closed electrically.
支持部53は、MPPC54,シンチレータ53からなる検出器を保持するものである。
The support portion 53 holds the detector consisting of the
第1縮小レンズ56は、電子ビームアパチャ52を通過した複数の1次電子ビームを縮小する第1番目のレンズである。 The first reduction lens 56 is the first lens that reduces the multiple primary electron beams that pass through the electron beam aperture 52.
第2縮小レンズ57は、第1縮小レンズ56で縮小された複数の1次電子ビームを、更に縮小して細く絞った複数の1次電子ビームを、サンプル13の上に照射しつつ平面走査するためのものである。 The second reduction lens 57 is used to further reduce and narrow the multiple primary electron beams reduced by the first reduction lens 56, and to irradiate the multiple primary electron beams onto the sample 13 while performing planar scanning.
次に、図14の構成の動作を詳細に説明する。 Next, the operation of the configuration in Figure 14 will be described in detail.
(1)図14において、電子銃1で発生した1次電子ビーム31を照明レンズ51で一旦並行ビームに変換した後、1次電子ビームアパチャ52を通過させて、複数本の1次電子ビームに成型する。1次電子ビームの本数に比例してサンプル13の表面に同時照射される1次電子ビームの本数が増加する。電子ビームアパチャ52の中心に1次電子ビームを通過させてしまうと、1次電子と2次電子の軌道が別々になるように2次電子検出装置の配置が困難となるため、複数の穴は周辺部に設けることが望ましい。
(1) In FIG. 14, the primary electron beam 31 generated by the
(2)成型した複数の1次電子ビームは当該1次電子ビームが通過できるように穴を設けた支持部53を通過して第1縮小レンズ56および第2縮小レンズ57を通過してビーム径が圧縮された後、サンプル13の表面にほぼ垂直に照射する。 (2) The multiple molded primary electron beams pass through a support part 53 having holes through which the primary electron beams can pass, and then pass through a first reduction lens 56 and a second reduction lens 57 to compress the beam diameter, after which they are irradiated almost perpendicularly onto the surface of the sample 13.
(3)照射された電子はサンプル13の表面にて2次電子を発生させる。発生した2次電子はサンプル13とシンチレータ55の表面に設けられた導電性膜との間に印可されたバイアス電圧(例えば10KV)によって加速され第2縮小レンズ、第1縮小レンズと通過したのちシンチレータ55に入射される。シンチレータの高さが2次電子の焦点位置になるようにバイアス電圧を調整する。つまりシンチレータ表面において1次電子スポットの像が出来るように調整する。 (3) The irradiated electrons generate secondary electrons on the surface of the sample 13. The generated secondary electrons are accelerated by a bias voltage (e.g., 10 kV) applied between the sample 13 and a conductive film provided on the surface of the scintillator 55, pass through the second reduction lens and the first reduction lens, and are then incident on the scintillator 55. The bias voltage is adjusted so that the height of the scintillator becomes the focal position of the secondary electrons. In other words, it is adjusted so that an image of the primary electron spot is formed on the surface of the scintillator.
(4)シンチレータ55、MPPC54からなる検出器は2次電子軌道計算を行って、2次電子が戻ってくる場所に設置する。検出器は予めアレイ状に大量に配置しておいて、各素子に対してアドレス等を設け必要に応じてコンピュータ等から電気的に選択利用できるようにしても良い。この機能により、バイアス電圧変更に伴う2次電子の軌道変化に対応できる。
(4) The detector consisting of the scintillator 55 and
以上のようにして、分割された複数の1次電子ビームをサンプル13に照射して発生した2次電子はそれぞれの検出器(シンチレータ55、MPPC54)にて同時並行的に検出されるため、高速に画像取得を行うことが可能となる。 In this way, the secondary electrons generated by irradiating the sample 13 with multiple split primary electron beams are detected simultaneously and in parallel by the respective detectors (scintillator 55, MPPC 54), making it possible to acquire images at high speed.
図15は、本発明の他の検出器説明図(その2)を示す。図14が支持部53、MPPC54,シンチレータ55から構成されるのに対し、当該図15はMPPC54,透明支持部531、シンチレータ55の構成したものである。他の構成は図14と同じであるので説明を省略する。
Figure 15 shows an explanatory diagram (part 2) of another detector of the present invention. While Figure 14 is composed of a support part 53, an
図15において、透明支持部531は、検出を行うシンチレータ55を透明な部材で支持したことに特徴があるものである。透明支持部532に使う透明部材は、レンズ、ホログラム等種々の光学素子を使用する。これら光学素子を利用したことを、シンチレータ55で発生した光を縮小あるいは拡大あるいは位置を移動させることが可能となる。つまり、電子検出器をどこにでも配置できるようになる。 In FIG. 15, the transparent support part 531 is characterized in that the scintillator 55 that performs detection is supported by a transparent member. The transparent member used for the transparent support part 532 uses various optical elements such as lenses and holograms. By using these optical elements, it is possible to reduce, enlarge, or move the position of the light generated by the scintillator 55. In other words, it becomes possible to place the electron detector anywhere.
図16は、本発明の他の検出器説明図(その3)を示す。図16は、図15のサンプル13の上にメッシュ58を設け、サンプル13の表面にて発生した2次電子を第2縮小レンズ57に入射する前に所望の加速エネルギーに加速し、2次電子の検出効率を向上させることに特徴がある。
Figure 16 shows an explanatory diagram (part 3) of another detector of the present invention. The feature of Figure 16 is that a
図16において、メッシュ58は、サンプル13の上に設けたメッシュであって、該サンプル13から放出された2次電子を加速(例えば5KV)するものである。このメッシュ56をサンプル13の上に設け、これに加速電圧(例えば5KV)を印加して当該2次電子を加速し、加速された2次電子が第2縮小レンズ57、第1縮小レンズ56を通過し、さらに加速されて最終的にシンチレータ55に衝突する。2次電子の発生後、直ぐに加速することで、発生した2次電子が分散して散るのを避けることが可能であり検出効率を向上できる。
In FIG. 16,
図17は、本発明の他の検出器説明図(その4)を示す。図17は、図16に対して更にメッシュ59をシンチレータ55の上に設け、第2縮小レンズ57、第1縮小レンズ56を通過する2次電子のエネルギーが一定の状態にあるようにし、設計どおりに軌道を進む(第2縮小レンズ57、第1縮小レンズ56の機械的な形状などの影響を受けないようにして設計どおりの軌道を進む)ようにしたものである。
Figure 17 shows an explanatory diagram (part 4) of another detector of the present invention. In Figure 17, in addition to Figure 16, a
図17において、メッシュ59は、シンチレータ55の前面に設けたメッシュである。
In FIG. 17,
メッシュ58は、サンプル13の前面に設けたメッシュである。ここでは、メッシュ59,58は、同一電位に保持し、第2縮小レンズ57、第1縮小レンズ56を通過する2次電子に周囲の幾何的構造が影響しなく、設計どおりに軌跡を通るようにしたものである。そして、ここでは、メッシュ58には図示のように例えば5KV(2次電子を加速する電圧)、メッシュ59には10KV(当該メッシュ59を通過した2次電子を加速する電圧)を印加する。
以上のように構成することにより、複数の1次電子ビームをサンプル13の上に照射しつつ並列に平面走査すると、サンプル13から複数の1次電子ビームに対応した2次電子、反射電子がそれぞれ放出、反射され、これら放出、反射された複数の2次電子、反射電子がメッシュ58で上方向に並列にそれぞれ加速され、一定エネルギーで第2収縮レンズ57、第1縮小レンズ56を通過し、メッシュ59を通過し、当該メッシュ59とシンチレータ55との間に印加された正の電圧(例えば10KV)で並行に複数の2次電子、反射電子をそれぞれ加速しシンチレータ55でそれぞれ並列に光に変換され、これら変換された複数の光がそれぞれ並列にMPPC54でそれぞれ増幅・検出され、信号を並列出力することが可能となる。
With the above configuration, when multiple primary electron beams are irradiated onto the sample 13 and scanned in parallel on a plane, secondary electrons and reflected electrons corresponding to the multiple primary electron beams are emitted and reflected from the sample 13, respectively. These emitted and reflected multiple secondary electrons and reflected electrons are accelerated in parallel upward by the
この際、高いエネルギーに加速された電子(反射電子など)は内側に、低いエネルギーに加速された電子(2次電子など)は外側に軌道を取るので、分割された複数の検出器(シンチレータ55、MPPC54)によりそれぞれ並列に検出され、出力されることとなる。 At this time, electrons accelerated to high energy (such as reflected electrons) take an inward orbit, while electrons accelerated to low energy (such as secondary electrons) take an outward orbit, and are detected and output in parallel by multiple split detectors (scintillator 55, MPPC 54).
図18は、本発明の検出器説明図(その5)を示す。図18は、照射した1次電子ビームのサイズよりも高い分解能が実現し、かつ、スループットが向上できることに特徴がある。以下詳細に説明する。 Figure 18 shows an explanatory diagram (part 5) of the detector of the present invention. The detector shown in Figure 18 is characterized by achieving a resolution higher than the size of the irradiated primary electron beam and improving throughput. A detailed explanation is provided below.
(1)図18において、電子銃1から1次電子を放出させたのち所望エネルギーになるように加速し中空状の電子ビーム(図18の(b)参照)を発生させて対物レンズ121により1点に収束させてサンプル13に照射する。加速電圧は1KVから50KV程度を利用する。
(1) In FIG. 18, primary electrons are emitted from the
(2)中空電子ビーム(ホロビーム)は同心円状にくり抜いた電子ビームアパチャ52に対して並行電子ビームを照射レンズ51により均一に照射することで発生できる。同心円状の穴は小さな穴を多数用いて同心円状にしても良いし、四角形を用いたり、2重に取り囲んでも良い。これらのアパチャーは大量のアパチャーアレイを電気的に開閉できるようなブランキングアパチャー形式でもよい。そのアレイの一部を選択的に開閉して同心円状のアパチャーを形成しても良い。さらに収差を小さくするために凹レンズとなる格子レンズや薄膜レンズを用いても良い。 (2) A hollow electron beam (hollow beam) can be generated by uniformly irradiating a parallel electron beam onto an electron beam aperture 52 that has been hollowed out in a concentric shape, using an irradiation lens 51. The concentric holes may be formed by using many small holes to form a concentric shape, or may be rectangular or double-encircled. These apertures may be of the blanking aperture type that allows a large number of aperture arrays to be electrically opened and closed. A concentric aperture may be formed by selectively opening and closing a portion of the array. Furthermore, a lattice lens or thin-film lens that acts as a concave lens may be used to reduce aberration.
電子ビームアパチャ52は、チタンやMO,W等の非磁性材料で作製し、コンタミ防止のため100℃以上に加熱しておくことが望ましい。帯電防止のため導電性を有することが望ましい。 The electron beam aperture 52 is preferably made of a non-magnetic material such as titanium, MO, or W, and is preferably heated to 100°C or higher to prevent contamination. It is also preferably conductive to prevent static electricity.
(3)発生させた中空電子ビームは対物レンズ121により一点に絞られる。絞られた1次電子ビームは偏向電極122により、XY平面を走査する。偏向電極122は対物レンズ121の上、下などの必要な場所に配置できる(図18では対物レンズ121の下側に静電電極122を配置)。 (3) The generated hollow electron beam is focused to a single point by the objective lens 121. The focused primary electron beam is scanned across the XY plane by the deflection electrode 122. The deflection electrode 122 can be placed anywhere necessary, such as above or below the objective lens 121 (in FIG. 18, the electrostatic electrode 122 is placed below the objective lens 121).
(4)絞られた1次電子ビームはサンプル13に照射され、2次電子を発生する。発生した2次電子は非常に低いエネルギーをもち、あらゆる方向に放出されるため、そのままでは対物レンズ121で点像を形成できない。本実施例ではサンプル13の直上のメッシュ58に正の加速電圧を印加し、発生した2次電子のほぼ全てが所望のエネルギーになるように加速される。この加速電圧によって2次電子群の持つエネルギーばらつきが相対的に減少し、1つの均一なエネルギーを持つ2次電子ビームとなる。したがって、このエネルギーは高いほど、エネルギーの均一度は向上する。
(4) The focused primary electron beam is irradiated onto the sample 13, generating secondary electrons. The generated secondary electrons have very low energy and are emitted in all directions, so that they cannot form a point image with the objective lens 121 as is. In this embodiment, a positive acceleration voltage is applied to the
(5)所望のエネルギーに加速された2次電子は対物レンズ121を通過し、最終的にシンチレータ55に衝突して発光が最適になるようにメッシュ59で加減速された後、当該シンチレータに衝突し発光する。発光した光は、直接的あるいは反射鏡を介してMPPC4の複数に分割された各部分で検出される(高感度のCCDあるいはCMOSデバイスでもよい).
(6)図18に示すように、検出される光の点は対物レンズ121によって所望のサイズに絞られた1次電子ビームによって発生する2次電子の拡大像である。また、この点像は1次電子ビームの偏向に対応して動的にXY走査されたものになる。光の点の拡大像は1次電子ビームの照射点における2次電子発生量分布情報を有している。1次電子ビームの走査周期を利用して画像解析を行って光の点の詳細な輝度分布を画像から抽出するとスポットサイズよりも小さな領域におけるサンプル表面の変化を抽出できる。つまり、1次電子ビーム光学系の分解能を上げることが出来る。これは丁度10本の鉛筆の芯を束ねて絵を書いたようなもので、輝度分布測定を行って10本に分離すれば、それぞれの鉛筆が書いた分解能画像が得られるのと同じである。
(5) The secondary electrons accelerated to the desired energy pass through the objective lens 121, and finally collide with the scintillator 55, where they are accelerated or decelerated by the
(6) As shown in FIG. 18, the detected light point is an enlarged image of secondary electrons generated by the primary electron beam focused to a desired size by the objective lens 121. This point image is dynamically scanned in the XY direction in response to the deflection of the primary electron beam. The enlarged image of the light point has secondary electron generation amount distribution information at the irradiation point of the primary electron beam. By performing image analysis using the scanning period of the primary electron beam to extract a detailed luminance distribution of the light point from the image, it is possible to extract changes in the sample surface in an area smaller than the spot size. In other words, the resolution of the primary electron beam optical system can be increased. This is just like drawing a picture with ten pencil leads bundled together, and by measuring the luminance distribution and separating it into ten leads, it is possible to obtain a resolution image drawn by each pencil.
(7)例えば、10nmの1次電子ビームのスポットサイズから発生した2次電子を電子光学系と光学系を用いて10,000倍に拡大すると100ミクロン程度の点になる。現在の2次元光検出デバイスの最小ピクセルサイズは1ミクロン程度なので、これらの点の輝度分布は2次元光検出デバイスで十分に分離検出可能である。この点像をコンピュータで連続的に抽出しそれぞれのピクセルに対応するように各部分の輝度に分け、適正な画像を形成するように回転補正や輝度補正などの画像処理を高速で行い、1枚の画像を再構成できるようにピクセルを正しい順番に並び替えると、ビームサイズよりも小さい分解能の画像を得ることができる。これらの処理は必ずしもリアルタイムで行う必要はないので、画像を取得後、画像処理用のコンピュータで必要な処理を行ってもよい。 (7) For example, if secondary electrons generated from a 10 nm primary electron beam spot size are magnified 10,000 times using an electron optical system and an optical system, they become dots of about 100 microns. Since the minimum pixel size of current two-dimensional light detection devices is about 1 micron, the brightness distribution of these dots can be sufficiently separated and detected by a two-dimensional light detection device. This point image is continuously extracted by a computer, and the brightness of each part is divided so that it corresponds to each pixel. Image processing such as rotation correction and brightness correction is performed at high speed to form an appropriate image, and the pixels are rearranged in the correct order so that a single image can be reconstructed, an image with a resolution smaller than the beam size can be obtained. These processes do not necessarily need to be performed in real time, so the necessary processes can be performed by an image processing computer after the image is acquired.
(8)例えば光の点を4分割してそれぞれのピクセルに対応させれば実質的に2.5nmのビームサイズで照射したのと同じ分解能が得られ、かつ、4倍のスループットが得られる。通常は分解能を上げるとスループット低下が起こるが、本方式では分解能とスループットを両方上げることが出来ることが特徴である。 (8) For example, if the light spot is divided into four and each pixel is assigned to a different part, the resolution can be obtained as if a beam size of 2.5 nm were used, and the throughput can be increased four-fold. Normally, increasing the resolution results in a decrease in throughput, but this method has the advantage of being able to increase both the resolution and the throughput.
(9)より高い分解能を得るためには、シンチレータ構成物が均一細かいことが非常に重要である。粒子状シンチレータを用いる場合には粒子のサイズをナノメートルオーダーにすることによって、高い分解能を得ることが可能となる。プラスチック・シンチレータなどでは、ナノレベルで均一である。蛍光顕微鏡ではナノオーダーの分解能が実現できるので、その程度に分離できていれば、1つの点を複数のビーム成分に分離できる。 (9) To obtain higher resolution, it is very important that the scintillator components are uniform and fine. When using a particulate scintillator, high resolution can be obtained by making the particle size on the order of nanometers. Plastic scintillators, for example, are uniform at the nanometer level. Fluorescence microscopes can achieve nano-order resolution, so if separation to that extent is possible, one point can be separated into multiple beam components.
(10)以上の方法はマルチビーム形式の複数ビームを極近傍に集めたのと同じ効果がある。一方、通常知られているマルチビーム方式とは逆にレンズの軸中心部だけを利用するためレンズ歪が小さく、収差補正が不要となり、容易にマルチビーム検査装置を実現できる。この効果は、ビームスポットサイズを大きくしても小さくしても得られるため、高分解能で超高速あるいは低分解能で超々高速の検査装置を実現することが可能となる。逆に、ビームサイズを最初から小さくし、光検出装置の分解能を上げれば、従来では実現不可能な1nmを切る分解能かつ、高いスループットを実現できる。特に、高分解能を実現する場合、ホロービームでは、静電反発による電子ビーム広がりが起こりにくいため、電子ビームを細く絞ることが容易となる。 (10) The above method has the same effect as concentrating multiple beams in a multi-beam format in close proximity. On the other hand, contrary to the commonly known multi-beam method, only the axial center of the lens is used, so lens distortion is small and aberration correction is unnecessary, making it easy to realize a multi-beam inspection device. This effect can be obtained whether the beam spot size is large or small, making it possible to realize an inspection device with high resolution and ultra-high speed, or low resolution and ultra-high speed. Conversely, if the beam size is made small from the beginning and the resolution of the photodetector is increased, it is possible to achieve a resolution of less than 1 nm and high throughput that was previously impossible to achieve. In particular, when achieving high resolution, with a hollow beam, it is easy to narrow the electron beam because it is less likely to spread due to electrostatic repulsion.
従来のマルチビーム検査装置とは異なり、検出した2次電子を垂直方向に引き上げビームセパレータを使用しないで直接電子を検出するため収差が小さくより高い分解能や効率が実現できる。 Unlike conventional multi-beam inspection devices, the detected secondary electrons are pulled up vertically and detected directly without using a beam separator, resulting in less aberration and higher resolution and efficiency.
さらに、以上の方法では画像解析によってビームを分離するため、マルチビーム検査装置で問題となるビームの並んでいる方向が問題とならないため、XYステージを等速度連続的に移動させて高速検査を行う形式の検査装置に容易に展開できる。 In addition, because the above method separates the beams using image analysis, the alignment direction of the beams, which is an issue with multi-beam inspection devices, is not an issue, so this method can be easily deployed in an inspection device that performs high-speed inspection by continuously moving the XY stage at a constant speed.
1:電子銃
2:電子銃制御装置
3:偏向電極
3-1:偏向電極(上)
3-2:偏向電極(下)
31:1次電子ビーム
32:2次電子
321:2次電子検出部
322:電子ビーム走査制御装置
33:反射電子
331:反射電子検出部
34:検出器(第1検出器+第2検出器)
4、54:MPPC
41:シールド管
411:クエンチング抵抗
42:アバランシェホトダイオード
421:支持ガラス
43:バイアス電源
431、47:衝立
44:電流検出装置
441:支持部
45、91:ライトガイド
46:レンズ
5:通過阻止用バイアス
51:照射レンズ
52:電子ビームアパチャ
521:中空ビーム
522:反射鏡
523:光拡大レンズ
524:光学2次元検出器
53:支持部
531:電子レンズ
532:透明支持部
56:第1縮小レンズ
57:第2縮小レンズ
6:増幅器
61:バイアス回路
7:PC
8:表示装置
9,55:シンチレータ
10、48、93、58,59:メッシュ
101:エネルギーフィルター(EXB)
11:傘
12、121:対物レンズ
122:偏向電極
13:サンプル
131:レンズ制御回路
14:サンプルバイアス回路
1: Electron gun 2: Electron gun control device 3: Deflection electrode 3-1: Deflection electrode (upper)
3-2: Deflection electrode (bottom)
31: Primary electron beam 32: Secondary electrons 321: Secondary electron detector 322: Electron beam scanning control device 33: Reflected electrons 331: Reflected electron detector 34: Detector (first detector + second detector)
4, 54: MPPC
41: Shield tube 411: Quenching resistor 42: Avalanche photodiode 421: Support glass 43: Bias power supply 431, 47: Partition 44: Current detection device 441: Support 45, 91: Light guide 46: Lens 5: Bias for blocking 51: Irradiation lens 52: Electron beam aperture 521: Hollow beam 522: Reflector 523: Optical magnifying lens 524: Optical two-dimensional detector 53: Support 531: Electron lens 532: Transparent support 56: First reduction lens 57: Second reduction lens 6: Amplifier 61: Bias circuit 7: PC
8: Display device 9, 55:
11:
Claims (4)
電子銃によって発生された第1の1次電子ビームが通過する穴と、
前記穴に配置した2次電子を追い返すための電位を印加するシールド管と、
前記シールド管の周りに配置した電子検出手段と、
前記隣接する電子検出手段に前記第1の電子ビーム照射によって発生した電子が入らないように遮断する手段と
を備え、
前記1次電子をサンプルに照射して発生した2次電子を真上方向に引き上げ、直接に該2次電子を検出することを特徴とする電子検出装置。 In an electron detection device for detecting electrons emitted from a sample, the device comprises: an aperture through which a first primary electron beam generated by an electron gun passes;
a shield tube disposed in the hole for applying a potential to repel secondary electrons;
an electron detection means disposed around the shield tube;
a blocking means for blocking electrons generated by irradiation of the first electron beam from entering the adjacent electron detection means,
An electron detection device characterized in that secondary electrons generated by irradiating a sample with the primary electrons are pulled up directly upward and the secondary electrons are directly detected.
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