JP2024099014A - Multiple beam inspection device and multiple beam inspection method - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: To provide a multiple beam inspection device where an axis of a primary electron irradiation system and an axis of a secondary electron detection system are configured to be symmetrical, aberration caused by deflection is cancelled, and aberration generated to a primary electron and a secondary electron is reduced in the multiple beam inspection device and a multiple beam inspection method.
CONSTITUTION: A multiple beam inspection device includes a primary electron irradiation system generating and accelerating primary electron with a multiple beam electron gun, a first deflector, a second deflector, an imaging system composed of an objective lens, a third deflector, and a secondary electron detection system. Around the axis of the imaging system, an axis of the primary electron irradiation system and an axis of the secondary electron detection system are configured symmetrically, and aberration generated to the primary electron and secondary electron is reduced by cancelling aberration caused by deflection.
SELECTED DRAWING: Figure 2
COPYRIGHT: (C)2024,JPO&INPIT

Description

本発明は、サンプルから放出された2次電子を検出して該サンプルの2次電子画像を生成するマルチビーム検査装置およびマルチビーム検査方法に関するものである。 The present invention relates to a multi-beam inspection device and a multi-beam inspection method that detects secondary electrons emitted from a sample and generates a secondary electron image of the sample.

半導体産業はムーアの法則で有名な微細加工技術の進展によりもたらされるデバイス性能向上およびコストメリットで経済が支えられている。しかし、半導体デバイスの微細加工限界は露光技術によって決定される。露光技術はパターンを作り出すためのフォトマスクと呼ばれる原版と露光装置およびパターンを形成するレジストから成っている。現状露光装置は4対1の縮小露光技術が使用されているため、半導体デバイスが実際に作られるシリコンウエハー上の構造物の4倍の大きさの構造がフォトマスク上に形成されている。 The semiconductor industry is supported by the improved device performance and cost benefits brought about by advances in microfabrication technology, famously known as Moore's Law. However, the limits of microfabrication of semiconductor devices are determined by exposure technology. Exposure technology consists of an original plate called a photomask for creating patterns, an exposure device, and a resist that forms the pattern. Currently, exposure devices use a 4:1 reduction exposure technology, so structures formed on the photomask are four times larger than the structures on the silicon wafers on which semiconductor devices are actually made.

フォトマスク上に作られたパターンを如何に正確にウエハー表面のレジスト膜へと転写できるかが露光技術最大の課題である。仮にフォトマスクに異常があればそれは露光装置によってウエハー表面に転写されウエハー上に不具合が生じる。 The biggest challenge in exposure technology is how accurately the pattern created on the photomask can be transferred to the resist film on the wafer surface. If there is an abnormality in the photomask, it will be transferred to the wafer surface by the exposure device, causing defects on the wafer.

露光不良を防止するためには少なくともフォトマスクを検査して正しい状態に修正し完璧な状態にすることが必要である。露光に利用される光の波長は時代とともに短波長化が進められている。 To prevent exposure defects, it is necessary to at least inspect the photomask and correct it to make it perfect. The wavelength of the light used for exposure is becoming shorter and shorter with the times.

20世紀終盤から露光光源には193nmの光源が使用されてきたため、長期にわたってフォトマスク上のパターンは193nm等のレーザー光線を照明光とする光学式マスクパターン検査装置を用いて検査が行われてきた。 Since the end of the 20th century, 193 nm light sources have been used as exposure light sources, and for a long time, patterns on photomasks have been inspected using optical mask pattern inspection equipment that uses laser light such as 193 nm as illumination light.

しかしながら、2019年より波長が13.5nmと短いEUV光を用いた露光技術が本格導入されたため、露光できる微細加工限界がより小さくなり、フォトマスク上のパターンも従来の最小パターンサイズ100nm程度の大きさから60nm以下と小さくなり、従来の193nmの光では十分な検査が出来なくなってきた。 However, since 2019, exposure technology using EUV light with a short wavelength of 13.5 nm has been fully introduced, which has made the limit of microfabrication that can be exposed smaller, and the patterns on photomasks have also become smaller from the previous minimum pattern size of around 100 nm to 60 nm or less, making it no longer possible to perform adequate inspections with the conventional 193 nm light.

一方、13.5nmの波長を用いたいわゆるアクティニック検査装置も開発中である。しかし、波長が13.5nmと短くなると空気によって吸収されてしまうため、装置を真空化する必要が生じ非常に複雑に成る。また、13.5nmの光を透過できる光学レンズが存在しないため、光学系は全て反射光学系となり、これもまた複雑で効率の悪いものに成る。 On the other hand, so-called actinic inspection equipment using a wavelength of 13.5 nm is also under development. However, because the wavelength is as short as 13.5 nm, it is absorbed by air, which makes the equipment very complicated, as it is necessary to evacuate it. Also, because there are no optical lenses that can transmit 13.5 nm light, the optical system is all reflective, which is also complicated and inefficient.

光学装置の解像度は開口率NAに比例する性質がある。例えば、193nmを用いた光学系の場合、液浸や油浸などを利用することにより1を超える大きな開口率が実現できるため、193nmと長い波長であるにもかかわらず40nm程度のパターンを解像することが出来る。一方、EUV光を用いた場合、反射光学系を用いるためNAが0.3などと小さな開口率しか実現できず、波長が10分の1と短いにもかかわらず精々27nm程度の解像度しか得られず、波長が短く成った割には性能向上が小さい。 The resolution of an optical device is proportional to the numerical aperture NA. For example, in the case of an optical system using 193 nm, a large numerical aperture of over 1 can be achieved by using liquid immersion or oil immersion, making it possible to resolve patterns of about 40 nm despite the long wavelength of 193 nm. On the other hand, when EUV light is used, only a small numerical aperture of 0.3 or the like can be achieved because a reflective optical system is used, and a resolution of only about 27 nm can be obtained despite the wavelength being one-tenth as short, meaning that the improvement in performance is small given the shorter wavelength.

また、例えば検出対象がパーティクルの場合、パーティクルサイズの6乗に比例して反射光が弱まり、波長の2乗で反射光が強くなる。つまり、パーティクルサイズが小さくなると信号強度は急激に弱くなるため検出感度は激減する。このように光学技術を用いたフォトマスク検査技術は技術的に限界を迎えている。また、従来光学原理を用いた装置は大気中で動作したため、装置製造や運用が容易であったが、波長が短くなると空気に吸収されてしまうため真空チャンバーが必要となり電子ビームに対する使い勝手に対する優位性が無くなる。 For example, when the detection target is a particle, the reflected light weakens in proportion to the sixth power of the particle size, and the reflected light strengthens in proportion to the square of the wavelength. In other words, as the particle size becomes smaller, the signal strength weakens rapidly, and the detection sensitivity drops dramatically. As such, photomask inspection technology using optical technology is reaching its technical limits. Furthermore, conventional devices using optical principles operated in the atmosphere, making them easy to manufacture and operate, but as the wavelength becomes shorter, they are absorbed by the air, requiring a vacuum chamber, which eliminates the advantage of ease of use over electron beams.

一方、nmオーダー以下の高解像度を実現する技術としては電子顕微鏡がある。30年以上前から電子ビームを用いた電子ビーム式検査技術が開発されてきている。商品化は行われているが中々主たる検査装置としては実用化していないのが現状である。 On the other hand, electron microscopes are a technology that can achieve a resolution of less than the nm order. Electron beam inspection technology using electron beams has been developed for over 30 years. Although they have been commercialized, they have not yet been put to practical use as primary inspection equipment.

レーザー光線と違い電子ビームにはレーザーのようにエネルギーの分散が小さくて輝度の高い電子ビーム源が無い。さらに電子はマイナス電荷を持つため絞り込むと電子同士がお互いに静電反発する。そのため、高速検査に必要とされる大電流を流すと光学限界以上に最小ビームスポットサイズが大きくなってしまい、分解能が劣化する。つまり、1本の電子ビームを用いた場合、分解能と検査速度は非常にきついトレードオフの関係があるため、容易に検査速度を上げることが出来ていない。 Unlike laser light, there is no electron beam source with a small energy dispersion and high brightness like a laser. Furthermore, because electrons have a negative charge, they electrostatically repel each other when narrowed down. Therefore, when the large current required for high-speed inspection is applied, the minimum beam spot size becomes larger than the optical limit, and the resolution deteriorates. In other words, when a single electron beam is used, there is a very severe trade-off between resolution and inspection speed, so it is not easy to increase the inspection speed.

例えば、現在知られている1つのビームを用いて実現できる最高速度は精々数百Mピクセル毎秒である。フォトマスクは凡そ10cm角の領域にパターンが書かれているため、その領域を全て検査することが必要である。例えば、現在のフォトマスク上のパターンが十分に解像できる10nmの分解能で検査するためには、10の14乗ピクセルの画素を取得する必要がある。例えば100Mピクセル毎秒で画素取得すると10の6乗秒が必要で277時間つまり10日以上掛かる。従来のフォトマスク検査装置は約2時間で1枚のフォトマスクを検査することが可能なので、これでは遅すぎて実用上使えない。 For example, the maximum speed that can be achieved using a single beam known at present is at most several hundred megapixels per second. Since a photomask has a pattern written in an area of approximately 10 cm square, it is necessary to inspect the entire area. For example, in order to inspect the current patterns on photomasks at a resolution of 10 nm, which is sufficient to resolve the patterns on the photomask, it is necessary to acquire 10^14 pixels. For example, acquiring pixels at 100 megapixels per second requires 10^6 seconds, which is 277 hours, or more than 10 days. Conventional photomask inspection equipment can inspect one photomask in approximately two hours, so this is too slow to be of practical use.

一方、最近マルチビーム検査装置と呼ばれる電子ビームを複数個同時にサンプルに照射して高速検査を行う方法が研究されている。 Recently, research has been conducted into a method of performing high-speed inspection by simultaneously irradiating a sample with multiple electron beams, known as a multi-beam inspection device.

この方法では、100本以上の小さな電子ビームを同時に照射して走査を行うため1本に流す電流量を小さく抑えることが可能で、高分解能を維持したままで検査速度を従来の1本の電子ビームを用いた場合と比較して高速に出来るとされている。 In this method, more than 100 small electron beams are irradiated simultaneously for scanning, making it possible to reduce the amount of current flowing through each beam, and it is said that inspection speeds can be made faster than when using a single conventional electron beam while maintaining high resolution.

しかしながら、従来から多くのリソースが投入され色々な形式の検査装置が開発されており、非常に有望視されているが、当初思ったほどの高速化や高分解能化が実現できておらず、未だに半導体用検査装置としては商品化されていない。 However, although a lot of resources have been invested into the development of various types of inspection equipment, and although they are considered very promising, they have not yet been commercialized as semiconductor inspection equipment, as they have not been able to achieve the speed and resolution initially expected.

半導体産業で使用する装置は工業用計測装置であり一種のミッションクリティカルな装置で24時間365日不具合を起こさずに稼働し続ける必要があるため、原理的にロバストが必須である。 The equipment used in the semiconductor industry is industrial measurement equipment, a type of mission-critical equipment that must operate without malfunction 24 hours a day, 365 days a year, so robustness is essential in principle.

理科学機器装置のように大学の先生や生徒が偶に使って論文が書ける程度では全く実用上使えない。いろいろな測定条件や測定対象あるいは環境変化さらに長期にわたって性能が安定に保たれている必要がある。 Scientific equipment is not practical if it is only used occasionally by university professors and students to write papers. It is necessary that performance be maintained stably over a variety of measurement conditions, measurement targets, and environmental changes, as well as over the long term.

上述したマルチビーム検査装置では、シングルビーム式のCDSEM自身は既に工業計測装置としての安定度を実現しているため、通常の電子ビーム光学系自身の安定性はかなり担保されている。しかし、ロバスト性を失う1つの原因は通常のシングルビームの電子ビーム光学系には存在しないビームスプリッターを実装しているところにある。ビームスプリッターは超精密工学機器であり、ミクロンオーダーの高度の加工精度と組み立て精度を要求する。 In the multi-beam inspection device described above, the single-beam CDSEM itself already achieves the stability required for industrial measurement equipment, so the stability of the normal electron beam optical system itself is fairly well guaranteed. However, one of the reasons for the loss of robustness is the implementation of a beam splitter that does not exist in normal single-beam electron beam optical systems. Beam splitters are ultra-precision engineering devices that require high levels of processing and assembly accuracy on the order of microns.

ビームスプリッターは1次電子ビームとサンプルからの信号電子である2次電子ビームを分離するための装置である。写像光学系を用いた場合、1次電子を収束させる光学系と、2次電子を収束させる光学系を同時に持つ必要がある。同じ軌道上にある電子に対して異なった電子光学系を適用して両者に対して同時最適化することは原理的および実用上非常に困難である。 A beam splitter is a device that separates the primary electron beam from the secondary electron beam, which are signal electrons from the sample. When using a mapping optical system, it is necessary to have both an optical system that focuses the primary electrons and an optical system that focuses the secondary electrons. In principle and in practice, it is extremely difficult to apply different electron optical systems to electrons on the same trajectory and optimize both simultaneously.

そこで、従来から1次電子ビームの軌道と、2次電子ビームの軌道を分けて別々の光学系を用いて最適化を図ってきた。それを行うためにビームスプリッターが必要とされる。 Therefore, conventionally, optimization has been attempted by separating the trajectories of the primary electron beam and the secondary electron beam and using separate optical systems. To achieve this, a beam splitter is required.

ビームスプリッターは従来からEXBと呼ばれるウィーンフィルターあるいは電磁場のみを用いた磁場プリズムアレイなどで構成されていた。もともと従来のビームスプリッターは名前からも明らかなようにビームに含まれている色々なエネルギーの電子ビーム成分を偏向することにより個々のエネルギービームにスペクトル分解して細いスリットを通過させることでエネルギーの揃っている一部分を取り出すことにあり、これを無理に転用したものである。 Beam splitters have traditionally been made up of Wien filters known as EXBs, or magnetic prism arrays that use only electromagnetic fields. As the name suggests, conventional beam splitters deflect the electron beam components of various energies contained in the beam, spectrally decomposing them into individual energy beams and passing them through a narrow slit to extract a portion with a consistent energy. This is a forced repurposing of this.

1次電子ビームと2次電子ビームを分離するためには、1次電子と2次電子を進行方向に対して逆の方向に偏向することが必要である。そのためにフレミングの法則で知られる磁気偏向装置を用いて1次電子と2次電子がお互いに逆の方向に進行方向に進むことを利用してお互いに逆方向に偏向をすることで分離している。 To separate the primary and secondary electron beams, it is necessary to deflect the primary and secondary electrons in the opposite direction to their direction of travel. To achieve this, a magnetic deflection device known as Fleming's law is used to deflect the primary and secondary electrons in the opposite directions, taking advantage of the fact that they travel in opposite directions.

EXBは1次電子あるいは2次電子のいずれかが磁場偏向しないように電子のエネルギーに匹敵するような大きな電場を加えて調整する仕組み。これは、目的とする電子ビームを直進させることでレンズ収差発生を小さく抑えることにある。偏向量は10度程度と余り大きく偏向することは出来ないので、そのままでは1次電子ビーム用のコラムと2次電子用のコラムが接触してしまう。そこで、分離が大きくなるように分離した電子ビームにさらに電場や磁場を加えて同じ方向に曲げるなどして利用している。 EXB is a mechanism that adjusts either the primary or secondary electrons by adding a large electric field equivalent to the energy of the electrons so that they are not deflected by the magnetic field. The purpose of this is to minimize the occurrence of lens aberration by making the desired electron beam go in a straight line. The deflection amount is only about 10 degrees, which is not very large, so if left as is, the column for the primary electron beam and the column for the secondary electrons will come into contact. Therefore, to increase the separation, an electric or magnetic field is further applied to the separated electron beams to bend them in the same direction.

一方、電磁場プリズムアレイでは、ただ磁場を加えて電子ビームを曲げるだけなので、大きな磁場を容易に適用できる。いくつかの電磁偏向器を同じ方向に曲がるように2つ以上の磁場偏向器をアレイにして用いることで90度近い偏向が実現できる。 On the other hand, with an electromagnetic prism array, a large magnetic field can be easily applied since the electron beam is bent simply by applying a magnetic field. By using an array of two or more magnetic deflectors so that several electromagnetic deflectors bend in the same direction, a deflection of nearly 90 degrees can be achieved.

1次電子ビームのエネルギーがレーザーのように正確に一定であれば、偏向収差が発生しないので上記偏向器を用いて理想的に自由に電子ビームの軌道を変えることが出来る。 If the energy of the primary electron beam is exactly constant, like a laser, no deflection aberration occurs, so the trajectory of the electron beam can be changed ideally and freely using the above deflector.

しかしながら実際の1次電子ビームには電子ビーム発生原理に依存した1エレクトロンボルト程度のエネルギー分布があるため、磁気偏向装置を通過すると偏向されるに従って、電子エネルギーごとに偏向量が異なるため、虹のようにビームが広がってしまう。つまり1次電子ビームが空間的に分散してしまい対物レンズで絞った際のビームスポットの最小径が大きくなってしまい、到達分解能が低くなってしまう原因に成る。 However, because the actual primary electron beam has an energy distribution of about 1 electron volt that depends on the electron beam generation principle, as it passes through the magnetic deflection device and is deflected, the amount of deflection differs for each electron energy, causing the beam to spread out like a rainbow. In other words, the primary electron beam is spatially dispersed, and the minimum diameter of the beam spot when narrowed by the objective lens becomes larger, causing the achievable resolution to decrease.

一方、2次電子ビームにおいては1次電子ビームよりも100倍も大きい最大0から100エレクトロンボルト程度のエネルギー分布があるため、磁気偏向装置を通過すると1次電子ビームよりも100倍以上も電子ビームが広がってしまうため、2次電子検出素子面において高い空間分解能を得ることが非常に困難であった。これは、EXBなどのウィーンフィルターが電子ビームのエネルギーを分離するための道具であることから来る自然な結論である。 On the other hand, secondary electron beams have an energy distribution of up to 0 to 100 electron volts, which is 100 times larger than that of primary electron beams. Therefore, when they pass through a magnetic deflection device, the electron beam spreads out more than 100 times more than the primary electron beam, making it very difficult to obtain high spatial resolution on the secondary electron detection element surface. This is a natural conclusion that comes from the fact that Wien filters such as EXB are tools for separating the energy of electron beams.

従来、これらの不具合を低減するため1次電子ビームには15KV以上の高い加速電圧を用いて見かけ上のエネルギー分散の割合を小さくして偏向収差の影響を小さくする施策が取られてきた。同様に2次電子ビームに対しても15KV程度の加速電圧を印加して加速することで偏向収差の影響を低減してきたため装置に耐電圧が必要となり大掛かりに成っていた。さらに収差の影響を防止するために特定のエネルギーをもつ電子だけを抽出して利用するために数ミクロンの細いスリットを通過させるため、利用できる信号電子量が減少し画像が暗くなりSNRが劣化する等の現象が生じていた。 In the past, to reduce these problems, measures were taken to reduce the effects of deflection aberration by using a high acceleration voltage of 15 KV or more on the primary electron beam to reduce the proportion of apparent energy dispersion. Similarly, the effects of deflection aberration were reduced by applying an acceleration voltage of about 15 KV to the secondary electron beam to accelerate it, but this required the equipment to withstand high voltages, making it large-scale. Furthermore, to prevent the effects of aberration, electrons with a specific energy were extracted and used by passing them through a thin slit of a few microns, which reduced the amount of available signal electrons, causing the image to become darker and the SNR to deteriorate.

更に、別の原因として、偏向装置は電子のエネルギーに依存した偏向量を示すためサンプル表面が帯電して2次電子のエネルギーが数ボルトから数百ボルトに変化すると偏向量が100倍も変化するため正しい2次電子画像を得ることが出来ないという課題があった。サンプル電位を0Vあるいは一定の電位に固定できる場合にのみ測定可能で事実上一般的なサンプルや絶縁体の測定は不可能であった。 Furthermore, another problem was that the deflection device showed an amount of deflection that depended on the energy of the electrons, so when the sample surface became charged and the energy of the secondary electrons changed from a few volts to several hundred volts, the amount of deflection changed by 100 times, making it impossible to obtain a correct secondary electron image. Measurements were only possible when the sample potential could be fixed at 0 V or a constant potential, making it virtually impossible to measure general samples or insulators.

そのため、本発明は、従来の技術思想とは全く逆に極力電子ビーム軌道をエネルギーの違いによって分散をさせないことに目的を置いている。偏向装置で発生するエネルギー分散に起因する偏向収差をキャンセルしてあるいは低減して1次電子ビームをより小さなビームに絞り、サンプル表面で発生した2次電子を高い空間分解能で検出すると共に、リターディング電圧を印加して低エネルギー電子ビームにも関わらず高分解能で検出可能、更に、低真空中でも高分解能で検出可能にすることを提案する。 Therefore, the present invention aims to prevent the electron beam trajectory from dispersing due to differences in energy as much as possible, which is the complete opposite of conventional technical ideas. We propose canceling or reducing the deflection aberration caused by energy dispersion generated in the deflection device, narrowing the primary electron beam into a smaller beam, detecting secondary electrons generated on the sample surface with high spatial resolution, and applying a retarding voltage to enable high-resolution detection despite the low-energy electron beam, and further enabling high-resolution detection even in a low vacuum.

本発明は、1次電子をサンプルに照射し、該サンプルから放出された2次電子を検出してサンプルの2次電子画像を生成する走査型電子顕微鏡において、1次電子を生成して加速する1次電子照射系と、1次電子照射系で生成された1次電子を偏向する第1偏向装置と、第1偏向装置で偏向された1次電子を逆方向に偏向して収差をキャンセルし、結像系の軸に一致させてサンプルに照射させると共に、サンプルから放出された2次電子を1次電子と逆方向に偏向して分離する、磁界と電界で構成される第2偏向装置と、第2偏向装置で偏向されて結像系の軸に一致させた後の1次電子を細く絞ってサンプルに照射すると共に、サンプルから放出された2次電子を第2偏向装置に入射させる対物レンズからなる結像系と、第2偏向装置で偏向された後の2次電子を検出する2次電子検出系とを備えるようにしている。 The present invention is a scanning electron microscope that irradiates a sample with primary electrons and detects secondary electrons emitted from the sample to generate a secondary electron image of the sample. The microscope is provided with a primary electron irradiation system that generates and accelerates primary electrons, a first deflection device that deflects the primary electrons generated by the primary electron irradiation system, a second deflection device composed of a magnetic field and an electric field that deflects the primary electrons deflected by the first deflection device in the opposite direction to cancel aberration, aligns the primary electrons with the axis of the imaging system to irradiate the sample, and deflects the secondary electrons emitted from the sample in the opposite direction to the primary electrons to separate them, an imaging system composed of an objective lens that narrows the primary electrons after they have been deflected by the second deflection device and aligned with the axis of the imaging system to irradiate the sample, and causes the secondary electrons emitted from the sample to enter the second deflection device, and a secondary electron detection system that detects the secondary electrons after they have been deflected by the second deflection device.

この際、第2偏向装置で偏向して分離された2次電子を、第2偏向装置の偏向方向と逆方向に偏向して収差をキャンセルする第3偏向装置を設け、第3偏向装置で偏向して収差をキャンセルした後の2次電子を検出する2次電子検出系とを備えるようにする。 In this case, a third deflection device is provided that deflects the secondary electrons deflected and separated by the second deflection device in a direction opposite to the deflection direction of the second deflection device to cancel aberration, and a secondary electron detection system is provided that detects the secondary electrons after they have been deflected by the third deflection device and the aberration has been canceled.

また、第1偏向装置および第3偏向装置は、磁界あるいは電界あるいは磁界と電界の4極以上を有する偏向装置とするようにしている。 The first deflection device and the third deflection device are also configured to be deflection devices having four or more poles of a magnetic field, an electric field, or a magnetic field and an electric field.

また、第2偏向装置は、磁界の2極あるいは磁界と電界の各4極以上を有し、1次電子の進行方向と逆方向の2次電子を分離するようにしている。 The second deflection device also has two poles in the magnetic field or four or more poles each in the magnetic field and electric field, and is designed to separate secondary electrons traveling in the opposite direction to the direction of travel of the primary electrons.

また、サンプルと対物レンズの先端部分との間にリターディング電圧を印加し、サンプルに低加速電圧の1次電子にして照射するようにしている。 In addition, a retarding voltage is applied between the sample and the tip of the objective lens, so that the sample is irradiated with primary electrons at a low acceleration voltage.

また、対物レンズの部分に隔膜を設けて、隔膜を境にサンプル側を低真空、反対側を高真空に保持するようにしている。 In addition, a diaphragm is provided on the objective lens, so that the sample side is kept at a low vacuum and the opposite side at a high vacuum.

本発明は、第1偏向装置、第2偏向装置、第3偏向装置で発生する偏向収差をお互いにキャンセルして低減することで、1次電子ビームをより小さなビームに絞り、サンプル表面で発生する2次電子を高い空間分解能で検出できる。 The present invention reduces the deflection aberrations generated by the first deflection device, the second deflection device, and the third deflection device by canceling each other out, thereby narrowing the primary electron beam into a smaller beam and enabling detection of secondary electrons generated on the sample surface with high spatial resolution.

また、低真空中における高分解能の電子ビーム検査装置を実現できる。 It is also possible to realize a high-resolution electron beam inspection device in a low vacuum.

本発明は、第1、第2、第3の偏向装置で発生する偏向収差をお互いにキャンセルして低減して1次電子ビームをより小さなビームに絞り、サンプル表面で発生した2次電子を高い空間分解能で検出すると共に、リターディング電圧を印加して低エネルギー電子ビームかつ高分解能で検出可能、更に、低真空中でも高分解能で検出可能にすることを実現した。 The present invention achieves the following: The deflection aberrations generated by the first, second, and third deflection devices are mutually cancelled out and reduced, narrowing the primary electron beam into a smaller beam, detecting secondary electrons generated on the sample surface with high spatial resolution, and applying a retarding voltage to enable detection with high resolution even in a low vacuum with a low energy electron beam.

図1は、本発明の原理構成図を示す。 Figure 1 shows the principle configuration of the present invention.

図1において、1次電子1は、照射系で発生された1次電子である。 In Figure 1, primary electron 1 is a primary electron generated in the irradiation system.

2次電子2は、1次電子を細く絞ってサンプル8に照射し、放出された2次電子である。 Secondary electrons 2 are secondary electrons emitted when a finely focused primary electron is irradiated onto a sample 8.

ビームスプリッタ3は、1次電子1をサンプル8に照射し、サンプル8から放出されt2次電子2を1次電子1から分離するものであって、第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6から構成されるものである。 The beam splitter 3 irradiates the sample 8 with the primary electrons 1 and separates the secondary electrons 2 emitted from the sample 8 from the primary electrons 1, and is composed of a first deflection device 4, a second deflection device 5, and a third deflection device 6.

第1偏向装置4は、1次電子1を偏向するものであって、磁界、電界、あるいは磁界と電界で構成される4極以上の偏向装置である。 The first deflection device 4 deflects the primary electrons 1 and is a four-pole or greater deflection device that is composed of a magnetic field, an electric field, or a magnetic field and an electric field.

第2偏向装置5は、1次電子1と、走行方向が逆の2次電子2とを分離するものであって、少なくとも磁界あるいは磁界と電界の両者で構成され、各4極以上の偏向装置である。 The second deflection device 5 separates the primary electrons 1 from the secondary electrons 2 that travel in the opposite direction, and is a deflection device that is composed of at least a magnetic field or both a magnetic field and an electric field, with four or more poles each.

第3偏向装置6は、第1偏向装置と同様のものであり、2次電子を偏向するものであって、磁界、電界、あるいは磁界と電界で構成される4極以上の偏向装置である。 The third deflection device 6 is similar to the first deflection device and deflects secondary electrons. It is a four-pole or more deflection device that is composed of a magnetic field, an electric field, or a magnetic field and an electric field.

対物レンズ7は、結像系を構成するものであって、1次電子1を細く絞ってサンプル8に照射し、放出された2次電子を第2偏向装置5に入射させるものである。 The objective lens 7 constitutes an imaging system, narrowing the primary electrons 1 to irradiate the sample 8, and directing the emitted secondary electrons into the second deflection device 5.

サンプル8は、細く絞った1次電子1を照射し、2次電子2を放出させて、高分解能の2次電子像を生成する対象のサンプルであって、例えばマスク、ウェハ上のパターンなどである。 The sample 8 is an object to be irradiated with finely focused primary electrons 1, causing secondary electrons 2 to be emitted, and generating a high-resolution secondary electron image, such as a mask or a pattern on a wafer.

次に、図1の構成の動作を説明する。 Next, we will explain the operation of the configuration in Figure 1.

(1)1次電子1をビームスプリッタ3を構成する第1偏向装置1に入射し、図に示すように進行方向に向かって左方向に、磁界、電界、あるいは磁界と電界の作用により偏向させる。 (1) Primary electrons 1 are incident on the first deflection device 1 that constitutes the beam splitter 3, and are deflected to the left in the direction of travel as shown in the figure by the action of a magnetic field, an electric field, or a combination of a magnetic field and an electric field.

(2)(1)で偏向されて第2偏向装置5に入射した1次電子1は、該第2偏向装置5により進行方向に向かって右方向に、磁界あるいは磁界と電界の両者の作用により偏向され、結果として、第1偏向装置の偏向方向と第2偏向装置の偏向方向とが逆であって、偏向収差をキャンセルした後、対物レンズ7の軸上にくるようにする。 (2) The primary electrons 1 deflected in (1) and entering the second deflection device 5 are deflected to the right in the direction of travel by the second deflection device 5 due to the action of a magnetic field or both a magnetic field and an electric field. As a result, the deflection direction of the first deflection device and the deflection direction of the second deflection device are opposite to each other, and after canceling the deflection aberration, the primary electrons 1 are brought onto the axis of the objective lens 7.

(3)(2)で対物レンズ7の軸上に偏向された1次電子1は、当該対物レンズ7で細く絞られてサンプル8を照射すると共に、図示外の2段偏向系でX,Y方向に走査される。そして、2次電子2をサンプル8から放出する。 (3) The primary electrons 1 deflected onto the axis of the objective lens 7 in (2) are narrowed by the objective lens 7 to irradiate the sample 8, and are scanned in the X and Y directions by a two-stage deflection system (not shown). Secondary electrons 2 are then emitted from the sample 8.

(4)(3)で放出された2次電子2は対物レンズ7の軸上を上方向に走行し、第2偏向装置5に入射し、磁界と電界の作用により、1次電子1とは反対の図示の走行方向に偏向される。 (4) The secondary electrons 2 emitted in (3) travel upward along the axis of the objective lens 7 and enter the second deflection device 5, where they are deflected by the action of the magnetic field and electric field in the travel direction shown in the figure, opposite to that of the primary electrons 1.

(5)(4)で進行方向の右方向に偏向された2次電子は、第3偏向装置6に入射し、図に示すように、進行方向の左方向に偏向され、結果として第2偏向装置の偏向と第3偏向装置の偏向方向が逆方向であって、偏向収差をキャンセルした後、2次電子検出系の軸上を上方向に走行する。 (5) The secondary electrons deflected to the right in the direction of travel in (4) enter the third deflection device 6 and are deflected to the left in the direction of travel as shown in the figure. As a result, the deflection directions of the second and third deflection devices are opposite to each other, and after canceling the deflection aberration, the electrons travel upward on the axis of the secondary electron detection system.

以上のように、1次電子1は第1偏向装置4と第2偏向装置5、2次電子は第2偏向装置5と第3偏向装置6とによって偏向収差をそれぞれキャンセルするので、偏向収差を低減してより細く絞った1次電子をサンプル8に照射することで高分解能の2次電子画像を生成することを実現し、かつ放出された2次電子も、第2偏向装置5と第3偏向装置6とによって偏向収差をそれぞれキャンセルするので、偏向収差を低減して2次電子を1次電子から分離し、かつ高感度、高分解能で2次電子を検出することが可能となった。以下順次詳細に説明する。 As described above, the deflection aberration of the primary electrons 1 is cancelled by the first deflection device 4 and the second deflection device 5, and the deflection aberration of the secondary electrons is cancelled by the second deflection device 5 and the third deflection device 6. This reduces the deflection aberration and irradiates the sample 8 with more finely focused primary electrons, thereby generating a high-resolution secondary electron image. Furthermore, the deflection aberration of the emitted secondary electrons is also cancelled by the second deflection device 5 and the third deflection device 6, so it is possible to reduce the deflection aberration and separate the secondary electrons from the primary electrons, and detect the secondary electrons with high sensitivity and high resolution. The following will explain in detail.

次に、図1の構成の動作説明する。 Next, we will explain the operation of the configuration in Figure 1.

(1)第1偏向装置4を通過した1次電子1は内側に偏向される。1次電子1は1エレクトロンボルト程度の電子エネルギー分散があるので、偏向量はエネルギー依存性があり、1次電子のビームが虹のように分散し空間的に膨らむ。 (1) The primary electrons 1 that pass through the first deflection device 4 are deflected inward. Since the primary electrons 1 have an electron energy dispersion of about 1 electron volt, the amount of deflection is energy-dependent, and the primary electron beam disperses like a rainbow and expands spatially.

(2)第2偏向装置5では第1の偏向装置とは全く同じ量逆方向に1次電子1を偏向する。全く同じ量だけ逆方向に偏向するため虹のように分散した1次電子軌道は再び1つの軌道に収束する。 (2) The second deflection device 5 deflects the primary electrons 1 in the opposite direction by exactly the same amount as the first deflection device. Because the electrons are deflected in the opposite direction by exactly the same amount, the primary electron orbits that are dispersed like a rainbow converge back into a single orbit.

以上のようにお互いに全く逆方向に偏向する必要があるため全く同じ特性を有する偏向装置(磁界、電界、磁界と電界)を用いてお互いに逆方向に偏向すると最も良い結果が得られる。第1偏向装置4で分散した1次電子は第2偏向装置5を通過するとともに逆分散作用によりもとの分散の無い1次電子のビーム状態に戻る。このとき、第1偏向装置4と第2偏向装置5の作用により1次電子は最初の軸から所定距離だけ内側にシフトした状態になる。この状態で対物レンズ7に入射し対物レンズ7で絞られてサンプル8の表面に照射される。これにより、1次電子1の分散が小さくなり対物レンズ7における収差が小さくできるので1次電子を小さなスポットに絞ることが出来る。 As described above, since it is necessary to deflect the electrons in completely opposite directions, the best results are obtained by using deflection devices with exactly the same characteristics (magnetic field, electric field, magnetic field and electric field) to deflect the electrons in opposite directions. The primary electrons dispersed by the first deflection device 4 pass through the second deflection device 5 and return to the original undispersed primary electron beam state due to the reverse dispersion effect. At this time, the primary electrons are shifted inward a specified distance from the initial axis due to the action of the first deflection device 4 and the second deflection device 5. In this state, they enter the objective lens 7, are focused by the objective lens 7, and are irradiated onto the surface of the sample 8. This reduces the dispersion of the primary electrons 1 and reduces the aberration in the objective lens 7, making it possible to focus the primary electrons into a small spot.

偏向装置は一種の演算装置と考えることが出来る。1回目に加えた演算(F(x))と全く逆の演算F-1(x)を行うことにより電子ビーム偏向に伴なって発生する色々な収差をキャンセルする原理である。ただしこの演算には不思議な性質があり、逆演算を行うと電子ビームは元の軌道に戻らずに座標系の水平シフトが起こるために、電子ビームの走行を変化させることが出来る。これは、最初の演算から時間が経ってから逆演算を行うことによる。この原理からは、第1の偏向装置と第2あるいは第3の偏向装置の特性が全く同じで作用が逆であることが望ましい。 A deflection device can be thought of as a type of arithmetic device. The principle is that various aberrations that occur with electron beam deflection are cancelled out by performing an operation F-1(x) that is the exact opposite of the operation (F(x)) applied the first time. However, this operation has a strange property; when an inverse operation is performed, the electron beam does not return to its original trajectory, but a horizontal shift in the coordinate system occurs, making it possible to change the path of the electron beam. This is done by performing the inverse operation after a period of time has passed since the first operation. Based on this principle, it is desirable for the first deflection device and the second or third deflection device to have exactly the same characteristics but opposite actions.

(3)サンプル8の表面では照射された1次電子1に刺激されて2次電子2が発生しサンプル8と対物レンズ7の間に印可された図示外の電圧(リターディング電圧)によって加速され2次電子2となって対物レンズ7に向かって進行する。対物レンズ7を通過した2次電子は第2偏向装置6によって1次電子1とは逆方向に偏向される。 (3) On the surface of the sample 8, secondary electrons 2 are generated in response to stimulation from the irradiated primary electrons 1, and are accelerated by a voltage (retarding voltage) not shown that is applied between the sample 8 and the objective lens 7, becoming secondary electrons 2 and traveling toward the objective lens 7. The secondary electrons that pass through the objective lens 7 are deflected in the opposite direction to the primary electrons 1 by the second deflection device 6.

(4)偏向された2次電子2はエネルギーに依存した偏向が行われて分散が起こるが、第3偏向装置6によって逆方向に偏向することで逆分散が起こり、元の分散の無い2次電子2に戻る。 (4) The deflected secondary electrons 2 are deflected in a manner that depends on their energy, causing dispersion, but when they are deflected in the opposite direction by the third deflection device 6, reverse dispersion occurs, and they return to their original undispersed secondary electrons 2.

以上のように、本発明の第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6からなるビームスプリッタ3をを利用すると1次電子1あるいは2次電子2にエネルギー分散があっても偏向時に新たに色収差を加えることなく、1次電子と2次電子を分離することが可能となる。これにより写像2次電子の像分解能が格段に向上する。 As described above, by using the beam splitter 3 consisting of the first deflection device 4, the second deflection device 5, and the third deflection device 6 of the present invention, it is possible to separate the primary electrons and the secondary electrons without adding any additional chromatic aberration during deflection, even if there is energy dispersion in the primary electrons 1 or the secondary electrons 2. This significantly improves the image resolution of the mapped secondary electrons.

これにより、本発明では、電磁偏向が90度以上に偏向が可能なので1次電子が来る方向とほぼ同じ逆の方向に2次電子を送り返すことが出来るため、従来の装置のように1次電子用のコラムと2次電子用のコラムが左右に開いた大きな装置にすることなく、同じ方向を向いたように設置可能で電子ビーム装置全体をコンパクトにすることが出来る。このように本発明は並立したコラム、かつコンパクトなので、2つのコラムを1つのコラムのように実装することも出来る。 As a result, in this invention, the electromagnetic deflection can be deflected by more than 90 degrees, so secondary electrons can be sent back in a direction almost the same as the direction opposite to the direction from which the primary electrons came. This means that instead of having to make a large device with columns for primary and secondary electrons that open to the left and right as in conventional devices, they can be installed facing in the same direction, making it possible to make the entire electron beam device compact. In this way, because the present invention uses parallel columns and is compact, the two columns can also be implemented as one column.

図2は、本発明の1実施例構成図を示す。これは、図1の原理構成を実際の装置に組み込んだ模式図を示す。ここで、1次電子1、2次電子2、第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6、対物レンズ7、サンプル8は図1の同一番号と同じであるので説明を省略する。 Figure 2 shows a diagram of an embodiment of the present invention. This is a schematic diagram of the principle configuration of Figure 1 incorporated into an actual device. Here, primary electrons 1, secondary electrons 2, first deflection device 4, second deflection device 5, third deflection device 6, objective lens 7, and sample 8 are the same as those in Figure 1, so their explanations are omitted.

図2において、絞り9は、第1偏向装置4で偏向された1次電子1を通過させる開口と、第2偏向装置5で偏向された2次電子2を通過させる開口とを模式的に示したものである。 In FIG. 2, the aperture 9 is shown as a schematic diagram showing an opening that passes the primary electrons 1 deflected by the first deflection device 4 and an opening that passes the secondary electrons 2 deflected by the second deflection device 5.

スペーサ5-1は、第2偏向装置5を対物レンズ7に固定するスペーサである。 Spacer 5-1 is a spacer that fixes the second deflection device 5 to the objective lens 7.

コイル7-1は、対物レンズ7を励磁する電流を流すコイルである。 Coil 7-1 is a coil that passes a current to excite the objective lens 7.

V1,V2は、サンプル8との間に印加する電圧であって、リターディング電圧であり、1次電子1の電位を低くして低加速電圧の1次電子をサンプル8に照射すると共に、サンプル8から放出された2次電子2を加速して上方向に走行させるものである。 V1 and V2 are voltages applied between the sample 8 and the sample 8. They are retarding voltages that lower the potential of the primary electrons 1 to irradiate the sample 8 with primary electrons at a low acceleration voltage, and accelerate the secondary electrons 2 emitted from the sample 8 to travel upward.

次に、図2の構成の動作を説明する。 Next, we will explain the operation of the configuration in Figure 2.

(1)電子銃で発生した1次電子1は第1偏向装置4にて内側に偏向される。ついで第2偏向装置5で逆方向に曲げられ電子銃から放出された1次電子の軌道と平行に成るように調整される。この状態で図示外のアライメントレンズあるいはメカニカルなアライメント機構などを用いて対物レンズ7の中心(軸)に入射するように調整する。対物レンズ7は純鉄、パーマロイやバーメンジュール等高透磁率材料から出来たポールピースを所望の漏れ磁場が生じるように適切な形に成形した部材にポリウレタン等の被覆を行った銅線などを巻き付けてコイルを形成したものである。漏れ磁場の発生するポールピース先端部の切れ目の場所が最大の磁場密度を示す場所であり電磁レンズとして機能する。もちろん対物レンズ7は小型化や省エネルギーのために必要に応じて永久磁石で構成しても良い。電磁レンズの場合は発熱するので冷却水を流すなどして温度を一定に保つ。偏向装置も電磁式の場合には発熱があるので、偏向量を一定に保つために冷却して室温付近の一定の温度に管理することが望ましい。対物レンズ7の上部に電磁コイル7-1からなる電磁偏向装置を設けるが偏向装置の磁場が対物レンズ7に漏れないようにシールド効果を持たせるために装置間には隙間を設けることが望ましい。 (1) Primary electrons 1 generated by the electron gun are deflected inward by the first deflection device 4. They are then bent in the opposite direction by the second deflection device 5 and adjusted so that they are parallel to the trajectory of the primary electrons emitted from the electron gun. In this state, they are adjusted to enter the center (axis) of the objective lens 7 using an alignment lens or mechanical alignment mechanism (not shown). The objective lens 7 is made of a pole piece made of a high magnetic permeability material such as pure iron, permalloy, or bermundur, which is molded into an appropriate shape to generate the desired leakage magnetic field, and a copper wire coated with polyurethane or the like is wound around the pole piece to form a coil. The cut at the tip of the pole piece where the leakage magnetic field is generated is the place where the maximum magnetic field density is shown and functions as an electromagnetic lens. Of course, the objective lens 7 may be made of a permanent magnet as necessary for miniaturization and energy saving. In the case of an electromagnetic lens, heat is generated, so the temperature is kept constant by running cooling water through it. In the case of an electromagnetic type deflection device, heat is also generated, so it is desirable to cool it and manage it at a constant temperature near room temperature in order to keep the deflection amount constant. An electromagnetic deflection device consisting of an electromagnetic coil 7-1 is provided above the objective lens 7, but it is desirable to provide a gap between the devices to provide a shielding effect so that the magnetic field of the deflection device does not leak to the objective lens 7.

(2)電磁偏向を受けた1次電子が対物レンズ7の中心(軸)を通過できるように電磁偏向装置と対物レンズ7の間にはアライメント用のコイルあるいは電極が存在する。もちろんその制御装置も存在する。対物レンズ7を通過した1次電子は対物レンズ7の磁場によって収束されサンプル8の表面にてnmオーダーのスポットを形成する。 (2) An alignment coil or electrode is present between the electromagnetic deflection device and the objective lens 7 so that the electromagnetically deflected primary electrons can pass through the center (axis) of the objective lens 7. Of course, a control device is also present. The primary electrons that pass through the objective lens 7 are converged by the magnetic field of the objective lens 7 and form a nanometer-order spot on the surface of the sample 8.

(3)1次電子1の照射の刺激によりサンプル8で発生した2次電子2はサンプル8と対物レンズ7との間に加えられた加速電場(リターディング電圧V1,V2)の力を受けて垂直方向に上昇し対物レンズ7により一旦収束されたのち発散しながら第2偏向装置5にて1次電子1とは反対方向に偏向される。 (3) Secondary electrons 2 generated in sample 8 by the stimulation of irradiation with primary electrons 1 rise vertically due to the force of the accelerating electric field (retarding voltages V1, V2) applied between sample 8 and objective lens 7, are once focused by objective lens 7, and then diverge while being deflected in the opposite direction to primary electrons 1 by second deflection device 5.

(4)偏向された2次電子2は次いで第3偏向装置6により逆方向に偏向されて垂直方向に上昇し、結果として2次電子の方向が右方向へとシフトが実現される。2次電子2は検出器の表面にて結像しサンプル8の表面の2次電子像が得られる。尚、実施例では1次電子と2次電子が平行になるような偏向量の場合を示したが、ビームのシフト量は任意であり装置の構成方法によって最適化することが出来る。 (4) The deflected secondary electrons 2 are then deflected in the opposite direction by the third deflection device 6 and rise vertically, resulting in a shift in the direction of the secondary electrons to the right. The secondary electrons 2 form an image on the surface of the detector, and a secondary electron image of the surface of the sample 8 is obtained. Note that, although the example shows a case where the deflection amount is such that the primary and secondary electrons are parallel, the amount of beam shift is arbitrary and can be optimized depending on the configuration method of the device.

図3は、本発明の詳細説明図(電子源)を示す。 Figure 3 shows a detailed diagram of the present invention (electron source).

図3の(a)は通常のTFE例を示す。 Figure 3(a) shows an example of a normal TFE.

図3の(a)において、エミッター31は、電子を放出するものである。エミッター31としては、タングステン、モリブデン、LaB6のような低仕事関数の材料、金属酸化物等を用いたサーマルエミッターやWチップにZrO拡散を用いて仕事関数を下げた熱電場型エミッタ(TFE)あるいは室温近傍でエミッタ先端を尖らして高い電場を印加することで電子ビームを得るコールドフィールドエミッターあるいは最近ではMEMS(半導体微細加工技術)を用いたコールドフィールドエミッターあるいはアレイ、コヒーレントあるいはパルスレーザー等光で電子を励起するフォトカソードなどがある。 In FIG. 3(a), the emitter 31 emits electrons. Examples of the emitter 31 include thermal emitters using low work function materials such as tungsten, molybdenum, and LaB6, metal oxides, etc., thermoelectric field emitters (TFEs) in which the work function is lowered by diffusing ZrO into a W tip, cold field emitters that obtain an electron beam by sharpening the emitter tip at around room temperature and applying a high electric field, or more recently, cold field emitters using MEMS (semiconductor microfabrication technology), or photocathodes that excite electrons with light such as an array, coherent, or pulsed laser.

エクストラクター32は、エミッタ31と該エクストラクタ32との間に電圧を印加し、印加電圧で発生する強力な電場によって電子ビームを引き出すものである。 The extractor 32 applies a voltage between the emitter 31 and the extractor 32, and extracts the electron beam using the strong electric field generated by the applied voltage.

加速電極33は、エクストラクタ32で引き出された1次電子を、所望加速電圧に印加する電圧を印加するものである。 The acceleration electrode 33 applies a voltage to the primary electrons extracted by the extractor 32 to the desired acceleration voltage.

レンズ34は、加速電極33で加速された1次電子を収束するものである。 The lens 34 focuses the primary electrons accelerated by the acceleration electrode 33.

対物アパチャー35は、該対物レンズアパチャー35を通過した1次電子のみを図示外の対物レンズ8に入射し、細く絞ってサンプル8の上に照射させるものである。 The objective aperture 35 allows only the primary electrons that pass through the objective lens aperture 35 to enter the objective lens 8 (not shown), which then narrows the beam and irradiates it onto the sample 8.

次に、図3の(a)の構成を説明する。 Next, we will explain the configuration in Figure 3(a).

(1)図3の(a)はエミッター31から1つの1次電子のビームを放射させ、1つの穴を有する対物アパチャー35で1つの1次電子のビームを、図示外の対物レンズ7で細く絞ってサンプル8の上に照射するものである。 (1) In FIG. 3(a), a single primary electron beam is emitted from an emitter 31, and the single primary electron beam is focused by an objective lens 7 (not shown) through an objective aperture 35 with a single hole, and irradiated onto a sample 8.

図3の(b)は、マルチビーム例を示す。この図3の(b)中のエミッター31、エクストラクタ32、加速電極33、レンズ34は、図3の(a)と同一であるので説明を省略する。 Figure 3(b) shows an example of a multi-beam. The emitter 31, extractor 32, acceleration electrode 33, and lens 34 in Figure 3(b) are the same as those in Figure 3(a), so their explanation is omitted.

図3の(b)において、対物アパチャー35は、複数の穴を有する対物アパチャーであって、該穴に対応した複数の1次電子のビームを形成するものである。穴の直径は数ミクロンから数十ミクロン程度である。 In FIG. 3B, the objective aperture 35 is an objective aperture having multiple holes, which form multiple primary electron beams corresponding to the holes. The diameter of the holes is on the order of several microns to several tens of microns.

次に、図3の(b)の構成を説明する。 Next, we will explain the configuration in Figure 3(b).

(1)図3の(b)はエミッター31が1つの1次電子のビームを放射させ、複数の穴を有する対物アパチャー35で複数の1次電子のビームを形成し、図示外の対物レンズ7で細く絞ってサンプル8の上にそれぞれ照射する。 (1) In FIG. 3(b), an emitter 31 emits one primary electron beam, and an objective aperture 35 with multiple holes forms multiple primary electron beams, which are then narrowed by an objective lens 7 (not shown) and each beam is irradiated onto a sample 8.

図3の(c)は、マルチエミッター例を示す。 Figure 3(c) shows an example of a multi-emitter.

図3の(c)において、エミッター31-1は、複数のエミッタを有するものである。 In FIG. 3(c), emitter 31-1 has multiple emitters.

エクストラクタ32-1は、エミッタ31-1に対応した数のエクストラクタを有するものである。 Extractor 32-1 has a number of extractors corresponding to the number of emitters 31-1.

加速電極33-3は、エミッタ31-1に対応した数の加速電極を有するものである。 The acceleration electrode 33-3 has a number of acceleration electrodes corresponding to the number of emitters 31-1.

レンズ34-1は、エミッタ31-1に対応した数のレンズ(収束レンズ)を有するものある。 Lens 34-1 has a number of lenses (converging lenses) corresponding to the number of emitters 31-1.

対物アパチャー35-1は、エミッタ31-1に対応した数の穴を有するものである。 The objective aperture 35-1 has a number of holes corresponding to the number of emitters 31-1.

次に、図3の(c)の構成を説明する。 Next, we will explain the configuration in Figure 3(c).

(1)図3の(c)は複数のエミッター31-1が複数の1次電子のビームを放射させ、複数の穴を有する対物アパチャー35で複数の1次電子のビームを形成し、図示外の対物レンズ7で細く絞ってサンプル8の上にそれぞれ照射する。これにより、複数のエミッタから放出された複数の1次電子のビームが細く絞られてサンプル8の上にそれぞれ照射されることとなる。 (1) In FIG. 3(c), multiple emitters 31-1 emit multiple primary electron beams, which are formed by an objective aperture 35 with multiple holes, and then narrowed by an objective lens 7 (not shown) to irradiate each of the primary electron beams onto the sample 8. As a result, the multiple primary electron beams emitted from the multiple emitters are narrowed and each is irradiated onto the sample 8.

(2)そのため、図3の(c)では、半導体微細製造技術(MEMS技術)を用いて作られた小さなマルチビーム電子銃用のエミッタのアレイを利用する。コールドフィールドエミッターはエミッタとエクストラクタ間に生じる高い電場を利用してトンネル効果を生じさせ常温で電子を放出させるものである。コールドフィールドエミッターを利用する場合はエミッタ電流を安定化するために超高真空あるいは極高真空を用いることが望ましい。エミッターアレイサイズは自由に変えることが出来る。用途に応じて数平方mm以下から数平方メートル以上と自由に作れる。シリコンやプラスチック等の曲面上に作ることも出来る。従って、検査速度を決定する総電流量はマイクロアンペアーからアンペアオーダーまで自由に作ることが出来る。 (2) For this reason, in FIG. 3(c), an array of emitters for a small multi-beam electron gun made using semiconductor microfabrication technology (MEMS technology) is used. A cold field emitter uses the high electric field generated between the emitter and extractor to create a tunnel effect and emit electrons at room temperature. When using a cold field emitter, it is desirable to use an ultra-high vacuum or extremely high vacuum to stabilize the emitter current. The size of the emitter array can be freely changed. It can be freely made from a few square millimeters or less to several square meters or more depending on the application. It can also be made on curved surfaces such as silicon or plastic. Therefore, the total current amount that determines the inspection speed can be freely made from microamperes to ampere orders.

(3)MEMS技術を用いれば先端曲率半径が数10nmのエミッターレイを容易に作成可能である。エミッターはシリコン、W、Mo、CNT、ダイヤモンドなど現在知られている材料を使用することが出来る。 (3) Using MEMS technology, it is possible to easily create emitter arrays with a tip curvature radius of several tens of nanometers. Emitters can be made of currently known materials such as silicon, W, Mo, CNT, and diamond.

エミッター先端とエクストラクターの距離をミクロンオーダーにすることで高々10ボルト程度の非常に低い電圧印可、しかも常温で電子ビームを放出させることが出来る。原理的には従来のコールドフィールドエミッターと同じなので放出された電子ビームのエネルギー幅は0.3エレクトロンボルトと狭くビームを細く絞るのに都合が良い。半導体技術で作られるのでそれぞれのエミッターの特性が非常に良く揃っている。ビームの幅は放出される面積により数ミクロンから数mmまでかなり広い範囲を取ることが出来る。 By making the distance between the emitter tip and the extractor on the order of microns, it is possible to apply a very low voltage of only about 10 volts and still emit an electron beam at room temperature. In principle, it is the same as a conventional cold field emitter, so the energy width of the emitted electron beam is narrow at 0.3 electron volts, which is convenient for narrowing the beam. Because it is made using semiconductor technology, the characteristics of each emitter are very consistent. The width of the beam can vary over a fairly wide range, from a few microns to a few mm, depending on the area emitted.

(4)また、ビーム1本あたり1マイクロアンペアー以下の低い放出電流で運用した場合1年を超える寿命が容易に得られる。各電子ビームは独立した点光源として機能するので、お互いに干渉することなく非常に均一な電流値を持つマルチビームが得られる。電流値は1つの電子源を分割して得た場合とは大きく異なり1つのビーム当たり1ナノアンペアーを容易に超えることが可能でビーム本数を増加することで総電流量を際限なく増加出来る。例えば1万本のビームを使えば総電流は10μAにもなり、従来では考えられない非常に高速な電子ビーム検査装置を作ることが出来る。 (4) Furthermore, when operated with a low emission current of 1 microampere or less per beam, a lifespan of more than one year can easily be achieved. Since each electron beam functions as an independent point light source, multiple beams with extremely uniform current values can be obtained without interfering with each other. The current value is significantly different from that obtained by dividing a single electron source, and can easily exceed 1 nanoampere per beam, and the total current amount can be increased without limit by increasing the number of beams. For example, if 10,000 beams are used, the total current can reach 10 μA, making it possible to create extremely high-speed electron beam inspection equipment that was previously unthinkable.

(5)エクストラクターやアノード、電子ビームを平行化するためのレンズは静電レンズなどをMEMS技術で電子銃内に作り込むことも出来る。 (5) The extractor, anode, and lenses for collimating the electron beam can be fabricated inside the electron gun using MEMS technology, such as electrostatic lenses.

図4は、本発明の詳細説明図(2次電子検出装置)を示す。 Figure 4 shows a detailed diagram of the present invention (secondary electron detection device).

図4の(a)は、1つの2次電子検出装置の場合を示す。この図4の(a)は、サンプル8の表面で発生した2次電子を加速してエネルギーが一定のビーム状にした後にレンズを用いて1点に集中させ、その場所に電子検出装置を配置した例を示す。 Figure 4 (a) shows the case of one secondary electron detector. This Figure 4 (a) shows an example in which secondary electrons generated on the surface of the sample 8 are accelerated to form a beam with a constant energy, then focused at one point using a lens, and an electron detector is placed at that location.

次に、特徴を説明する。 Next, we will explain the features.

(1)この図4の(a)は、元の電子ビームの断面積よりもずっと小さな面積を有する検出器が利用可能なため、検出器の電気容量を小さく保つことが可能で超高速の検出が出来る。入射してくるエネルギーによって検出効率が変化するので、変化を避ける場合は、2次電子発生時に十分に加速を行い、2次電子エネルギー分布が感度に効かないようにすると良い。 (1) In Figure 4(a), a detector with a much smaller cross-sectional area than the original electron beam can be used, so the detector's electrical capacitance can be kept small, enabling ultra-fast detection. Since the detection efficiency changes depending on the incident energy, to avoid this change, it is best to accelerate the secondary electrons sufficiently when they are generated so that the secondary electron energy distribution does not affect the sensitivity.

(2)また、2次電子のエネルギーの違いによって焦点位置が変化することを利用して焦点位置とは異なる位置に電子検出装置を複数置くことにより、エネルギーを分離して検出することも出来る。これは、元素分析などに2次電子を使用する場合に相当する。エネルギーに対応して色を付けて表示すれば、サンプル8の表面の元素分布をカラー画像の色の変化として得ることが出来る。この場合は、検出する2次電子を検出器の直前で加速して電子検出器の感度を高くする。電子検出装置としてはフォトダイオードやアバランシェダイオード、MCP、フォトマル等が利用できる。 (2) In addition, by taking advantage of the fact that the focal position changes depending on the energy of the secondary electrons, it is possible to separate and detect the energies by placing multiple electron detection devices at positions different from the focal position. This corresponds to the use of secondary electrons for elemental analysis, etc. If colors are displayed according to energy, the element distribution on the surface of the sample 8 can be obtained as color changes in a color image. In this case, the secondary electrons to be detected are accelerated just before the detector to increase the sensitivity of the electron detector. Photodiodes, avalanche diodes, MCPs, photomultipliers, etc. can be used as electron detection devices.

図4の(b)は、複数の2次電子検出素子を有する2次電子検出装置の場合を示す。この図4の(b)は、マルチ電子ビーム検出に対応したものである。 Figure 4(b) shows a secondary electron detection device having multiple secondary electron detection elements. This Figure 4(b) corresponds to multi-electron beam detection.

(1)マルチ電子ビームをサンプル8に照射することでサンプル8の表面から2次元的に同時発生した2次電子群はサンプル8と対物レンズ7間に加えられた電圧により加速されたのちレンズで収束されて図示のように2次元の2次電子像を形成する。これは明視野の光学顕微鏡と同じ原理である。従って原理的な分解能は利用している2次電子のビームの波長と開口率NAで凡そ決定される。 (1) By irradiating the sample 8 with multiple electron beams, a group of secondary electrons is generated simultaneously in two dimensions from the surface of the sample 8. The group is accelerated by the voltage applied between the sample 8 and the objective lens 7, and then converged by the lens to form a two-dimensional secondary electron image as shown in the figure. This is the same principle as a bright-field optical microscope. Therefore, the fundamental resolution is roughly determined by the wavelength of the secondary electron beam being used and the numerical aperture NA.

(2)焦点面にはサンプル8の表面の2次元の2次電子像が拡大して再現されるため平面上に並べられた複数の2次電子検出装置によってこの像の輝度あるいはコントラスト情報が検出される。2次電子検出装置としては2次電子が直接入射可能なように半導体表面の保護膜を除去加工されたフォトダイオードやアバランシェダイオード、MCP、MPPC、フォトマル、超高速のCCD,CMOS、TDI撮像素子等が利用できる。2次元撮像素子を利用した場合、画像取得速度を1つのデバイス当たりGピクセル毎秒よりも高くすることが出来る。最先端のデバイスで10Gピクセル毎秒を達成できる。取得された信号は直ちにデジタル信号に変換され画像処理用のコンピュータに送られる。通信手段は金属ワイヤをはじめ高速通信用の光ファイバーケーブルを利用出来る。AD変換装置により電子検出器で発生した電気信号はアナログ信号からデジタル信号に変換され、DRAM,SRAM、フラッシュメモリーあるいはHDDなどのメモリーに蓄積される。CPU,ASIC,FPGA、GPU等高速演算装置によりフィルター等画像処理が施されサンプル表面の情報がディスプレイ上に再現される。得られた画像は必要に応じて合成されて必要な大きさ、解像度の画像となる。得られた画像とCAD設計データあるいは近接する同じ形状を持つとされる画像を基準画像として比較して差異を検出することで高速検査を行うことが出来る。 (2) A two-dimensional secondary electron image of the surface of the sample 8 is reproduced in an enlarged form on the focal plane, and the brightness or contrast information of this image is detected by a plurality of secondary electron detectors arranged on a plane. As the secondary electron detector, a photodiode or avalanche diode, in which the protective film on the semiconductor surface has been removed so that secondary electrons can be directly incident, MCP, MPPC, photomultiplier, ultra-high-speed CCD, CMOS, TDI image element, etc. can be used. When a two-dimensional image element is used, the image acquisition speed can be made higher than G pixels per second per device. The most advanced device can achieve 10 G pixels per second. The acquired signal is immediately converted into a digital signal and sent to a computer for image processing. As a communication means, metal wires and optical fiber cables for high-speed communication can be used. The electrical signal generated by the electron detector is converted from an analog signal to a digital signal by an AD converter, and stored in a memory such as a DRAM, SRAM, flash memory, or HDD. Image processing such as filtering is performed by high-speed computing devices such as CPUs, ASICs, FPGAs, and GPUs, and information on the sample surface is reproduced on the display. The obtained images are synthesized as necessary to create an image of the required size and resolution. High-speed inspection can be performed by comparing the obtained image with CAD design data or a nearby image of the same shape as a reference image and detecting differences.

(3)通常のCDSEMと同じように得られた画像の各箇所の長さを測定することでCD測定を行うことが出来る。大画面高精細画像を高速に取り込むことが可能なので、取り込んだ画像の輪郭を抽出しフォトマスクの光学シミュレーションに利用することも出来る。 (3) As with a normal CDSEM, CD measurements can be performed by measuring the length of each point in the obtained image. Since it is possible to quickly capture large, high-definition images, it is also possible to extract the contours of the captured images and use them in optical simulations of photomasks.

図4の(c)は、2次元撮像素子からなる2次電子検出装置の場合を示す。この図4の(c)はマルチ電子ビーム検出などに対応したものである。 Figure 4(c) shows a secondary electron detection device made of a two-dimensional imaging element. This Figure 4(c) is compatible with multi-electron beam detection, etc.

(1)この図4の(c)は一般の高速光検出素子を利用可能にしたもので、2次電子のビームをレンズで収束させて加速しシンチレータの表面に衝突させて電子を光に変換する。光に変換した2次電子像をフォトダイオードやアバランシェダイオード、MCP、MPPC、フォトマル、CCD、CもS、TDI撮像素子等を利用して検出する。シンチレータには応答速度がnsオーダーと高速な半導体シンチレータであるGaN系や無機材料あるいは有機材料、プラスチック系を用いると好適である。尚、シンチレータに大量の電子ビームが照射されると帯電してしまうため、帯電防止のために表面にnmオーダーのアルミなどの金属膜を蒸着してアースして用いる。シンチレータの発光波長と光検出器が最大感度を持つ波長を合わせると良い。 (1) Figure 4 (c) shows a device that can use a general high-speed photodetector. A secondary electron beam is converged and accelerated by a lens, and then collided with the surface of a scintillator to convert the electrons into light. The secondary electron image converted into light is detected using a photodiode, avalanche diode, MCP, MPPC, photomultiplier, CCD, CMOS, TDI imaging element, etc. For the scintillator, it is preferable to use a GaN-based semiconductor scintillator with a response speed of the order of nanoseconds, inorganic material, organic material, or plastic material. Note that the scintillator becomes charged when irradiated with a large amount of electron beam, so to prevent charging, a metal film such as aluminum on the order of nanometers is evaporated onto the surface and used while being earthed. It is recommended to match the emission wavelength of the scintillator with the wavelength at which the photodetector has maximum sensitivity.

(2)2次元撮像素子のように画像蓄積を行って電子検出を行う場合は100ns程度の少しゆっくりした応答速度を持つシンチレータが使いやすい場合がある。 (2) When performing image accumulation and electron detection, as in a two-dimensional imaging element, a scintillator with a slightly slower response speed of around 100 ns may be easier to use.

図5は、本発明の装置例を示す。この図5はビームスプリッターを利用した電子ビーム式検査装置の外観を示す。 Figure 5 shows an example of the device of the present invention. This figure shows the appearance of an electron beam inspection device that uses a beam splitter.

図5において、電子銃41は、1次電子を放出するものである。 In FIG. 5, the electron gun 41 emits primary electrons.

ブランキング装置42は、電子銃41から放出された1次電子を、高速に遮断するものである。 The blanking device 42 quickly blocks the primary electrons emitted from the electron gun 41.

ブランキングアパチャー43は、ブランキング装置42で偏向された1次電子を遮断するアパチャーである。 The blanking aperture 43 is an aperture that blocks the primary electrons deflected by the blanking device 42.

対物アパチャー44は、1次電子の中心の部分を通過させ、対物レンズ48によって細く絞ってサンプルに照射するためのアパチャーである。 The objective aperture 44 is an aperture that allows the central portion of the primary electrons to pass through and is narrowed by the objective lens 48 to irradiate the sample.

第1偏向装置45は、既述した第1偏向装置4である。 The first deflection device 45 is the first deflection device 4 already described.

第2偏向装置46は、既述した第2偏向装置5である。 The second deflection device 46 is the second deflection device 5 already described.

第3偏向装置47は、既述した第3偏向装置6である。 The third deflection device 47 is the third deflection device 6 already described.

対物レンズ48は、1次電子を細く絞ってサンプルに照射するものである。 The objective lens 48 narrows the primary electrons and irradiates them onto the sample.

ミラー49は、レーザー光線を反射するミラーであって、XYZステージ51の位置を精密に測定するためのものである。 Mirror 49 is a mirror that reflects the laser beam and is used to precisely measure the position of the XYZ stage 51.

偏向装置50は、細く絞った1次電子のビームをサンプル上に平面走査するものである。 The deflection device 50 scans a finely focused beam of primary electrons over a plane on the sample.

XYZステージ51は、サンプル(マスク、ウェハーなど)を裁置し、精密じX、Y、Zの方向に移動させるものである。 The XYZ stage 51 holds a sample (mask, wafer, etc.) and moves it precisely in the X, Y, and Z directions.

真空チャンバー52は、XYZステージ51などを真空中に収納する容器である。 The vacuum chamber 52 is a container that stores the XYZ stage 51 and other components in a vacuum.

真空ポンプ53は、真空チャンバー52の内部を真空に排気するポンプである。 The vacuum pump 53 is a pump that evacuates the inside of the vacuum chamber 52 to a vacuum.

電子検出装置54は、2次電子を検出する装置である。 The electron detection device 54 is a device that detects secondary electrons.

次に、構成を説明する。 Next, we will explain the configuration.

(1)真空チャンバー52はドライポンプあるいはTMP等により通常マイナス4から5乗パスカル程度の高真空に維持されている。電子銃41は超高真空あるいは極高真空に保たれている。電子銃41で発生した1次電子は必要なエネルギーに成るように加速されレンズで並行ビームに成形される。成型された電子ビームはブランキング装置42およびブランキングアパチャー43を通過する。ブランキング装置42およびブランキングアパチャー43は1次電子のビームを高速にオンオフする機能を有しており、サンプルに1次電子のビームを照射するか否かを決定する。 (1) The vacuum chamber 52 is maintained at a high vacuum, usually around minus 4 to 5 pascals, using a dry pump or TMP. The electron gun 41 is maintained at an ultra-high or extremely high vacuum. The primary electrons generated by the electron gun 41 are accelerated to the required energy and shaped into a parallel beam by a lens. The shaped electron beam passes through the blanking device 42 and blanking aperture 43. The blanking device 42 and blanking aperture 43 have the function of rapidly turning the primary electron beam on and off, and determine whether or not to irradiate the sample with the primary electron beam.

(2)1次電子のビーム源がマルチ電子ビームの場合は個別のビームをON/OFFする機能をブランキングアパチャー43のアレイに持たせることも出来る。1次電子のビームの全体をON/OFFするブランキングアパチャー43を別途有することも出来る。ブランキングアパチャー43を通過した1次電子のビームは照射電子ビームのサイズや形状を決定する対物アパチャー44に照射される。対物アパチャー44は数ミクロンから数百ミクロンの穴の大きさおよび間隔を有した主に厚み数十ミクロン程度の金属薄膜である。アパチャー材質はモリブデンやタングステンなどの高融点金属が利用される。これらアパチャーに正確に1次電子のビームを通過させるために電磁式あるいはメカニカル方式のビームアライメント手段が付属している。 (2) When the primary electron beam source is a multi-electron beam, the blanking aperture 43 array can be equipped with the function of turning individual beams on and off. A separate blanking aperture 43 can also be provided to turn the entire primary electron beam on and off. The primary electron beam that passes through the blanking aperture 43 is irradiated onto the objective aperture 44, which determines the size and shape of the irradiated electron beam. The objective aperture 44 is a thin metal film, mainly tens of microns thick, with hole sizes and spacing ranging from several microns to several hundred microns. Aperture materials are made of high-melting point metals such as molybdenum and tungsten. Electromagnetic or mechanical beam alignment means are attached to these apertures to allow the primary electron beam to pass accurately.

(3)対物アパチャー44を通過した1次電子のビームは本発明のビームスプリッター(第1偏向装置、第2偏向装置、第3偏向装置)によりビームシフトを行った後、対物レンズ48に入射される。対物レンズ48の中心に正確に入射するために電磁式あるいは機械式アライメント機構をもつことが望ましい。ビームスプリッターに入射する電子ビームは不要な収差が発生しないように電子ビームの断面が小さくなるように収束してあることが望ましい。対物レンズ48には収差を小さくするため垂直に入射することが望ましい。対物レンズ48を通過する前あるいは通過後に1次電子のビーム走査用の偏向装置50にて1次電子のビームは偏向される。対物レンズ48の中心を通して収差を小さくするために2段偏向や対物レンズ48の直下で偏向が行われる。この1次電子のビーム偏向はサンプルの表面にて1次電子のビームを2次元的に走査するために行われる。一般に走査幅はサンプル上にて数ミクロンから数100ミクロン程度である。 (3) The primary electron beam that has passed through the objective aperture 44 is beam-shifted by the beam splitter (first deflection device, second deflection device, third deflection device) of the present invention, and then enters the objective lens 48. It is desirable to have an electromagnetic or mechanical alignment mechanism in order to accurately enter the center of the objective lens 48. It is desirable that the electron beam that enters the beam splitter is converged so that the cross section of the electron beam is small so as not to generate unnecessary aberration. It is desirable to enter the objective lens 48 vertically in order to reduce aberration. Before or after passing through the objective lens 48, the primary electron beam is deflected by a deflection device 50 for scanning the primary electron beam. In order to reduce aberration through the center of the objective lens 48, two-stage deflection or deflection is performed directly below the objective lens 48. This primary electron beam deflection is performed to scan the primary electron beam two-dimensionally on the surface of the sample. In general, the scanning width is about several microns to several hundreds of microns on the sample.

(4)一般のSEMあるいは電子ビーム検査装置で知られているように、1次電子のビーム走査はコンピュータからの指令によりピクセルクロック等、画像形成信号に同期してDAコンバーターから送付される階段状電圧波形に基づいて行われる。例えば16ビットのDAコンバーターを用いて走査信号を作った場合、64Kピクセル程度のX軸あるいはY軸に沿った走査を行うことが出来る。DAコンバーターに出力にするX軸とY軸の走査信号を適切に合成することで任意の方向に走査することも出来る。 (4) As is known in general SEMs or electron beam inspection equipment, primary electron beam scanning is performed based on a stepped voltage waveform sent from a DA converter in synchronization with an image formation signal such as a pixel clock under instructions from a computer. For example, if a scanning signal is created using a 16-bit DA converter, scanning along the X-axis or Y-axis of approximately 64K pixels can be performed. Scanning in any direction is also possible by appropriately combining the X-axis and Y-axis scanning signals output to the DA converter.

(5)対物レンズ48の収差を小さくするため対物レンズ48の軸中心を通過するように1次電子のビーム軸を対物レンズ48の入射直前に2段偏向して1次電子のビーム走査を行うことが望ましい。1次電子のビームを大きく走査するとリニアリティーが劣化し走査歪が生じやすい。対物レンズ48の下に走査用の偏向電極を置いて走査すると歪を小さくできる。ただし焦点深度に影響するほど大きく走査すると像がぼけてしまうので、その場合は対物レンズ48の焦点を走査信号に同期して変化させることでぼけを補正する(ダイナミックフォーカス)。 (5) In order to reduce the aberration of the objective lens 48, it is desirable to perform beam scanning of the primary electrons by deflecting the beam axis of the primary electrons in two stages just before they enter the objective lens 48 so that they pass through the axial center of the objective lens 48. If the primary electron beam is scanned widely, the linearity deteriorates and scanning distortion is likely to occur. Distortion can be reduced by placing a scanning deflection electrode under the objective lens 48. However, scanning widely enough to affect the focal depth will result in a blurred image, so in that case the blur is corrected by changing the focus of the objective lens 48 in synchronization with the scanning signal (dynamic focus).

(6)走査に伴ってサンプル表面で発生する2次電子等の信号電子はサンプルと対物レンズ48の間に加えられたバイアス電圧(リターディング電圧9)により加速されて垂直に登っていき、対物レンズ48に入射する。対物レンズ48で発生する収差を小さくするために、15KV程度の出来るだけ大きな加速を行うことが望ましい。一般的には安全のために、対物レンズ48はグランド電位にしてサンプルの電位をマイナスにすることが多い。例えばサンプルへの照射エネルギーを1KVにするときは、サンプルの電位をマイナス14KVに設定する。 (6) Signal electrons such as secondary electrons generated on the sample surface during scanning are accelerated by the bias voltage (retarding voltage 9) applied between the sample and the objective lens 48, ascend vertically, and enter the objective lens 48. In order to reduce the aberration generated by the objective lens 48, it is desirable to accelerate as much as possible, about 15 KV. Generally, for safety reasons, the objective lens 48 is often set to ground potential and the sample potential is made negative. For example, when the irradiation energy to the sample is set to 1 KV, the sample potential is set to minus 14 KV.

(7)対物レンズ48を通過した2次電子のビームは1次電子とは逆方向に進むのでビームスプリッター(第2偏向装置46)の磁界の作用により1次電子のビームとは逆方向に曲げられ1次電子の軌道から2次電子のビームが分離される。 (7) The secondary electron beam that passes through the objective lens 48 travels in the opposite direction to the primary electrons, so it is bent in the opposite direction to the primary electron beam by the action of the magnetic field of the beam splitter (second deflection device 46), and the secondary electron beam is separated from the trajectory of the primary electrons.

(8)分離された2次電子のビームは1次電子を画像形成のために走査する影響を受けているので、2次電子信号も走査されている。そのままでは電子検出素子上で焦点位置が上下左右に移動してしまい安定した像検出が出来ない。そこで、焦点位置が電子検出素子座標上で一定の位置に停止できるように1次電子ビーム走査に同期して2次電子ビームを再度逆方向に走査を行い、常に電子検出装置上に形成される2次電子像が移動しないように制御する。検出素子のサイズがビームの走査によって変動する2次電子着地点範囲よりも大きい場合は、2次電子ビームの逆走査をしなくても正しい画像検出を行うことが出来る。 (8) The separated secondary electron beam is affected by the scanning of the primary electrons to form an image, so the secondary electron signal is also scanned. If this continues, the focal position on the electron detection element will move up, down, left, and right, making stable image detection impossible. Therefore, the secondary electron beam is scanned again in the reverse direction in synchronization with the primary electron beam scanning so that the focal position can stop at a fixed position on the electron detection element coordinates, and controlled so that the secondary electron image formed on the electron detection device does not move at all. If the size of the detection element is larger than the range of secondary electron landing points that fluctuates due to beam scanning, correct image detection can be performed without reverse scanning of the secondary electron beam.

図6は、本発明の装置例(その2)を示す。この図6は、図5に加えて対物レンズ中心よりもサンプルに近い側に電子透過可能な薄膜55を設けたことに特徴がある。この薄膜55は数nmから数十nmオーダーの薄いシリコンあるいはその化合物、金属膜あるいはグラフェン膜等の数原子層の炭素膜で出来ている。数百エレクトロンボルト以上に加速された電子ビームはこれらの膜をほとんど散乱することなく通過することが出来る。一方、これら薄膜は10パスカル程度の低真空領域と10のマイナス3乗以上の高真空領域を機械的に分離する役割を有している。同時にこれらの薄膜は導電性を有しバイアス電圧を印加することが出来る。 Figure 6 shows an example of the device of the present invention (part 2). In addition to Figure 5, Figure 6 is characterized by the provision of an electron-transmitting thin film 55 on the side closer to the sample than the center of the objective lens. This thin film 55 is made of a thin silicon or its compound, metal film, or carbon film of several atomic layers such as graphene film, which is on the order of several nm to several tens of nm. Electron beams accelerated to several hundred electron volts or more can pass through these films with almost no scattering. On the other hand, these thin films have the role of mechanically separating a low vacuum region of about 10 Pascals from a high vacuum region of 10 to the power of minus 3 or more. At the same time, these thin films are conductive and a bias voltage can be applied.

電子銃41で発生した1次電子のビームは例えば15KV程度のエネルギーを有する。偏向器にて1次電子のビーム位置をシフトした後、対物レンズ48に入射される。対物レンズ48に入射した1次電子のビームは対物レンズ48の収束作用によって細い1次電子のビームに絞られ薄膜55を透過してサンプル表面に照射される。照射された1次電子のビームによりサンプル表面では2次電子が発生する。 The primary electron beam generated by the electron gun 41 has an energy of, for example, about 15 KV. After the beam position of the primary electrons is shifted by a deflector, it is incident on the objective lens 48. The primary electron beam incident on the objective lens 48 is narrowed down to a thin primary electron beam by the converging action of the objective lens 48, which passes through the thin film 55 and is irradiated onto the sample surface. Secondary electrons are generated on the sample surface by the irradiated primary electron beam.

発生した2次電子はエネルギーが小さいのでそのままでは薄膜(隔膜)55を通過することが出来ない。そこでサンプルと薄膜55の間にバイアス電圧を印加して2次電子のビームを加速し隔膜55を透過させる。真空チャンバー52は10パスカル程度の低真空状態にあるため、余り高いバイアスを印加すると放電が生じる。そこで、放電が生じなくてかつ薄膜55を十分に透過できる程度のエネルギーを電子に与えられるように数百ボルトの電圧を印加する。このようにすると2次電子は十分にエネルギーを持ち薄膜55を透過して高真空領域に入る。高真空領域に入った2次電子は、放電の心配が無いので薄膜55と対物レンズ48の間でさらに加速されて対物レンズ48に入射し逆収束され電子検出装置54の表面にサンプル表面の像を形成する。 The secondary electrons generated have low energy and cannot pass through the thin film (diaphragm) 55 as is. Therefore, a bias voltage is applied between the sample and the thin film 55 to accelerate the secondary electron beam and pass it through the diaphragm 55. The vacuum chamber 52 is in a low vacuum state of about 10 Pascals, so if a high bias is applied, a discharge will occur. Therefore, a voltage of several hundred volts is applied so that the electrons are given enough energy to pass through the thin film 55 without causing a discharge. In this way, the secondary electrons have enough energy to pass through the thin film 55 and enter the high vacuum region. Since there is no risk of discharge, the secondary electrons that have entered the high vacuum region are further accelerated between the thin film 55 and the objective lens 48, enter the objective lens 48, and are defocused to form an image of the sample surface on the surface of the electron detection device 54.

以上の構成を採用することで高エネルギーの1次電子のビームを用いながらも、低真空状態にサンプルを保持することが可能で帯電防止が実現できる。帯電防止が出来ると発生する2次電子のエネルギー分布を小さくできる。同時に発生した2次電子のビームの色収差が大きくならないように対物レンズ48を通過させて検出できるようになる。 By adopting the above configuration, it is possible to hold the sample in a low vacuum state while using a high-energy primary electron beam, thereby preventing charging. Preventing charging makes it possible to reduce the energy distribution of the secondary electrons generated. At the same time, the secondary electron beam can be detected by passing it through the objective lens 48 so that the chromatic aberration of the beam is not large.

図7は、本発明の装置例(その3)を示す。この図7は、収差補正装置58を設けた例を示す。一般的には多段多極子を用いて対物レンズ48等の持つ球面収差および色収差等を補正できる装置である。軸対称電磁レンズは古くからプラスの収差しか作り出すことが出来ないという定理があるため、収差を補正することは不可能と言われてきた。しかしながら20世紀終盤になってローズやハイダーらは6極子あるいは8極子などの多極子レンズとトランスファーレンズを組み合わせて非対称場を作ることで、負の収差を作り出し元の正の収差との合成において収差を0にできる装置を開発した。さらなる多極子化および多段にすることでさらに高次の収差を補正できるようになる。球面収差や色収差が0に出来れば、従来は対物レンズの収差の影響を小さくするために行われていた1次電子ビームのエネルギーを10KV以上に上げる必要が無くなる。 Figure 7 shows an example of the device of the present invention (part 3). This figure shows an example in which an aberration correction device 58 is provided. In general, this device can correct spherical aberration and chromatic aberration of the objective lens 48, etc., using a multi-stage multipole element. It has long been said that axially symmetric electromagnetic lenses can only produce positive aberrations, and therefore it is impossible to correct aberrations. However, at the end of the 20th century, Rose and Heider et al. developed a device that can create negative aberrations by combining a multipole lens such as a hexapole or octapole with a transfer lens to create an asymmetric field, and can reduce the aberration to zero when combined with the original positive aberration. By further increasing the number of poles and stages, it becomes possible to correct even higher-order aberrations. If spherical aberration and chromatic aberration can be reduced to zero, there will be no need to increase the energy of the primary electron beam to 10 KV or more, which was previously done to reduce the effect of the aberration of the objective lens.

この図7の例では収差補正装置58を1次電子側のコラム、2次電子側のコラムにそれぞれ実装していることに特徴がある。収差補正装置58は多極子の組み合わせを行うことで球面収差や色収差の補正を行うことが出来る素子である。この装置58の利点は1次電子のエネルギーを15KVのように高くしなくても収差補正装置58を用いることで対物レンズ48や収束レンズの収差を補正して1次電子を小さなスポットサイズに絞ることが出来るようになることである。 The example in Figure 7 is characterized by the fact that an aberration correction device 58 is implemented in each of the columns on the primary electron side and the secondary electron side. The aberration correction device 58 is an element that can correct spherical aberration and chromatic aberration by combining multipoles. The advantage of this device 58 is that it makes it possible to correct the aberration of the objective lens 48 and the converging lens and focus the primary electrons to a small spot size without having to increase the energy of the primary electrons to something like 15 KV.

図6では1次電子のビームのエネルギーを高くすることにより1次電子の持つエネルギー分散の影響が誤差程度となるようにして色収差発生を避けてきた。しかしながら、1次電子ビームを高いエネルギーにすると電子ビームコラムに高い耐電圧が必要で装置が大型に成るだけでなく、1次電子のビームが照射されたアパチャーなどの場所からX線などの不要あるいは有害な電磁波が放射されサンプルが感光するあるいは人体にも悪影響を及ぼし良くない。さらに2次電子の収差を小さくするためにも基板にバイアスを印加して加速する必要があり、サンプルと対物レンズ48の間の狭くて非常に放電しやすい場所に高電圧を印加する必要がある。高耐圧を得るために対物レンズ48とサンプルの距離を離してしまうとNAが小さくなって分解能が低下しビームスポットが大きくなってしまうという弊害がある。 In FIG. 6, the energy of the primary electron beam is increased so that the effect of the energy dispersion of the primary electrons is reduced to the level of error, thereby avoiding the occurrence of chromatic aberration. However, if the energy of the primary electron beam is increased, not only does the electron beam column require a high withstand voltage, making the device larger, but unnecessary or harmful electromagnetic waves such as X-rays are emitted from the aperture where the primary electron beam is irradiated, which is not good as it can expose the sample or have a negative effect on the human body. Furthermore, in order to reduce the aberration of the secondary electrons, it is necessary to apply a bias to the substrate to accelerate them, and it is necessary to apply a high voltage to the narrow, highly discharge-prone area between the sample and the objective lens 48. If the distance between the objective lens 48 and the sample is increased to obtain a high withstand voltage, the NA becomes smaller, the resolution decreases, and the beam spot becomes larger.

真空耐圧設計は凡そ1mmの間隔当たり数キロボルトと言われているため、15KVの耐圧を得るためにはサンプル表面と対物レンズ48の先端を5mm以上も離す必要があり分解能の劣化は避けられない。ましてや非導電性サンプル表面の帯電を防止するために使用される低真空技術などは数百ボルトのバイアス電圧印加で簡単に放電してしまい取り入れることが出来ない。 The vacuum pressure resistance design is said to be several kilovolts per 1 mm interval, so to obtain a pressure resistance of 15 KV, the sample surface and the tip of the objective lens 48 must be separated by 5 mm or more, which would make degradation of resolution unavoidable. Furthermore, low vacuum technology used to prevent charging of non-conductive sample surfaces cannot be adopted because it easily discharges when a bias voltage of several hundred volts is applied.

本実施例の図7のように、収差補正装置58を用いると、1次電子のビームに対する対物レンズ48によってもたらされる収差および2次電子のビームに対する対物レンズ48の収差が0に補正されるため、5KV以下の低エネルギーを使用しながらも非常に収差の小さなシステムを作ることが出来る。その結果、高エネルギーを使用した場合と同様の小ささの1次電子のビームスポットをサンプル表面に作ることが出来る。同様に2次電子に関しても高い分解能を維持して電子検出装置54に入力することが出来る。 As shown in Figure 7 of this embodiment, by using an aberration correction device 58, the aberration caused by the objective lens 48 on the primary electron beam and the aberration of the objective lens 48 on the secondary electron beam are corrected to zero, making it possible to create a system with very small aberrations even when using low energy of 5 KV or less. As a result, a primary electron beam spot as small as that when high energy is used can be created on the sample surface. Similarly, high resolution can be maintained for secondary electrons as they are input to the electron detection device 54.

1次電子のビームあるいは2次電子のビームに対して放電の原因となる数百ボルトを超える大きなサンプルバイアス(リターディング電圧)を印加しないので、帯電防止に効果のある低真空モード測定を行うことが出来る。高真空モード測定時の真空チャンバーは通常マイナス4から5乗パスカルに維持されているが、低真空測定を行う場合にはマスフローコントローラ等を利用してチャンバー外部からクリーンな酸素や窒素あるいは空気あるいは不活性ガスを導入して1から100パスカル程度に真空度を維持することが出来る。このように低真空状態にするとサンプル表面の帯電は1次電子のビーム照射に伴って発生するプラスマイナスイオンの作用により中和され、正常な測定状態を保つことが出来る。この効果により、サンプル表面の電位をパターンに無関係に非常に安定に保ちながら高速シングルビームあるいは超高速マルチビーム検査を実行することが出来る。 Since a large sample bias (retarding voltage) exceeding several hundred volts, which causes discharge, is not applied to the primary electron beam or the secondary electron beam, low vacuum mode measurement, which is effective in preventing charging, can be performed. The vacuum chamber during high vacuum mode measurement is usually maintained at minus 4 to 5 pascals, but when performing low vacuum measurement, clean oxygen, nitrogen, air, or inert gas can be introduced from outside the chamber using a mass flow controller or the like to maintain a vacuum of about 1 to 100 pascals. In this way, when in a low vacuum state, the charge on the sample surface is neutralized by the action of positive and negative ions generated by the irradiation of the primary electron beam, and normal measurement conditions can be maintained. This effect makes it possible to perform high-speed single beam or ultra-high-speed multi-beam inspection while keeping the potential of the sample surface very stable regardless of the pattern.

図8は、本発明のビームスプリッタ例を示す。この図8は、既述した図1、図2などのビームスプリッタ3を構成する第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の例をそれぞれ示す。 Figure 8 shows an example of a beam splitter of the present invention. This Figure 8 shows examples of the first deflection device 4, second deflection device 5, and third deflection device 6 that constitute the beam splitter 3 of Figures 1 and 2 described above.

図8の(a)は、平行平板の例を示す。並行平板型は2極からなる電界発生のための電極とその電界に直交した磁界を発生させるためのポールピースからなる。 Figure 8 (a) shows an example of a parallel plate. The parallel plate type consists of two electrodes for generating an electric field and a pole piece for generating a magnetic field perpendicular to the electric field.

ビームスプリッターで用いる電界発生用の電極は通常は金属であるが、比透磁率が1に近い材料例えば透明電極ITOやアルミニウム、銅、銀、などを使用すると同時印加する磁場との干渉が小さくなり、電界と磁界がお互いに直交して均一に広がる領域を広い範囲で実現することが出来るようになる。これにより写像型検査装置の様に100ミクロンを超える太いビームを用いる場合にも、均一に磁界や電界を印加することが可能となり、良好な偏向特性を得ることが出来るようになる。磁界を加えるためのポールピースは大きな透磁率を有するパーマロイ等の金属で作製する。 The electrodes used to generate the electric field in beam splitters are usually made of metal, but if a material with a relative permeability close to 1 is used, such as transparent electrodes ITO, aluminum, copper, or silver, interference with the simultaneously applied magnetic field is reduced, and it is possible to create a wide area in which the electric and magnetic fields spread uniformly across each other at right angles. This makes it possible to apply a uniform magnetic or electric field even when using a thick beam over 100 microns, as in a projection type inspection device, and to obtain good deflection characteristics. The pole pieces for applying the magnetic field are made of metals such as permalloy, which have a high magnetic permeability.

図8の(a)において、ポールピース61は、磁界印加用ポールピースと電界印加用の電極との両方を兼ねた図が記してあるが、前述した電極材料を用いた電界印加用の電極(2極)とは別に電界に直交するように磁界印加用のポールピース(2極)を設けると広い範囲で均一な直交電界磁場が得られる。磁場は透磁率1で出来た材料の電極を通過して作用できるので、電界発生用の電極の裏に磁界発生用のポールピースを配置することも出来る。図示の電極兼ポールピース61は、軸対称に4極を通常配置する。更に6極、8極、10極、12極、16極・・・などの多極子にしてもよい。 In FIG. 8(a), the pole piece 61 is shown as both a pole piece for applying a magnetic field and an electrode for applying an electric field. However, if a pole piece (2 poles) for applying a magnetic field is provided so as to be perpendicular to the electric field in addition to the electrode (2 poles) for applying an electric field using the electrode material described above, a uniform perpendicular electric field and magnetic field can be obtained over a wide range. Since the magnetic field can act by passing through an electrode made of a material with a magnetic permeability of 1, the pole piece for generating a magnetic field can also be placed behind the electrode for generating an electric field. The electrode/pole piece 61 shown in the figure usually has 4 poles arranged symmetrically about the axis. It may also be multi-pole, with 6 poles, 8 poles, 10 poles, 12 poles, 16 poles, etc.

コイル62は、電流を流して磁界を発生させ、各ポールピース(磁極)に印加するものである。4極であれば、各ポールピース(磁極)毎に各1つのコイル62を設ける。 The coils 62 pass current through them to generate a magnetic field, which is then applied to each pole piece (magnetic pole). In the case of a four-pole rotor, one coil 62 is provided for each pole piece (magnetic pole).

ヨーク63は、コイル62で発生した磁界が外部に漏れないように短絡するためのヨークである。 Yoke 63 is a yoke that shorts the magnetic field generated by coil 62 to prevent it from leaking to the outside.

以上の構成を有する軸対称の4極、6極、8極、12極などの多極子偏向装置を形成し、電界、磁界、あるいは電界と磁界の両者を軸上に発生させ、1次電子あるいは2次電子を偏向させることが可能となる。第1偏向装置4、第3偏向装置6は、電界、磁界のみで偏向、あるいは電界と磁界の両者で偏向させてもよい。第2偏向装置5は、少なくとも磁界あるいは電界と磁界とで偏向させ、1次電子の走行方向に対する2次電子の逆の走行方向の場合に逆方向に偏向し、両者を分離するように磁界と電界による偏向の度合いを調整する必要がある。 By forming an axially symmetrical 4-pole, 6-pole, 8-pole, 12-pole or other multipole deflection device having the above configuration, it is possible to generate an electric field, a magnetic field, or both an electric field and a magnetic field on the axis and deflect primary or secondary electrons. The first deflection device 4 and the third deflection device 6 may deflect with only an electric field or a magnetic field, or with both an electric field and a magnetic field. The second deflection device 5 deflects with at least a magnetic field, or with an electric field and a magnetic field, and when the secondary electrons travel in the opposite direction to the travel direction of the primary electrons, it is necessary to adjust the degree of deflection by the magnetic field and electric field so as to separate the two.

図8の(b)は、パターンヨーク型の例を示す。この図8の(b)のパターンヨーク型は、図6の(a)の電極兼ポールピース61に相当する部分のみを示す。 Figure 8(b) shows an example of a pattern yoke type. This pattern yoke type in Figure 8(b) shows only the part that corresponds to the electrode/pole piece 61 in Figure 6(a).

図6の(b)において、切込み71は、円筒に入れた切り込みであって、図示のような円筒状極素材74を形成するためのものである。 In FIG. 6(b), the cut 71 is a cut made in a cylinder to form a cylindrical pole blank 74 as shown.

タップ72は、回転場偏向器固定用のタップである。 Tap 72 is a tap for fixing the rotating field deflector.

タップ73は、治具取付用のタップである。 Tap 73 is a tap for attaching the jig.

円筒状極素材74は、円筒を図示の切込み71で分離した円筒状の極素材(図6の(a)の電極兼ポールピース61に対応するもの)である。 The cylindrical pole material 74 is a cylindrical pole material (corresponding to the electrode/pole piece 61 in FIG. 6(a)) in which the cylinder is separated by the notches 71 shown in the figure.

以上のように、円筒を1次電子(あるいは2次電子)の回転方向に合わせて切込み71を入れて作成した円筒状極素材74を作成し、これを図6の(a)の電極兼ポールピース61にすることにより、1次電子(あるいは2次電子)が走行するに従い回転する度合いに合わせて電極、磁極を回転させることが可能となり、収差を低減することが可能となる。 As described above, a cylindrical pole material 74 is created by cutting a notch 71 into the cylinder to match the direction of rotation of the primary electrons (or secondary electrons), and by using this as the electrode/pole piece 61 in Figure 6(a), it becomes possible to rotate the electrode and magnetic pole in accordance with the degree to which the primary electrons (or secondary electrons) rotate as they travel, making it possible to reduce aberration.

図8の(c)は、ウィーンフィルターの例を示す。この公知の図8の(c)のウィンフィルタ(8極)は、図示のように、n=1,2,3,4,5,6,7,8の極からなり、内側に電極と磁極を兼ねた極(8極)が軸対称に配置され、その外側に磁界を発生させるコイルが8組、それぞれ設けられている。最外側は磁界を短絡する円筒状のヨークである。 Figure 8 (c) shows an example of a Wien filter. This well-known Wien filter (8 poles) in Figure 8 (c) consists of poles n = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 as shown, with poles (8 poles) that serve as both electrodes and magnetic poles arranged axially symmetrically on the inside, and eight sets of coils that generate a magnetic field are provided on the outside. The outermost part is a cylindrical yoke that short-circuits the magnetic field.

以上の構成のもとで、8極に電界、磁界、あるいは電界と磁界の両者を印加することにより、1次電子、2次電子を偏向したり、1次電子と2次電子とを逆方向に偏向して両者を分離したり、することが可能となる。 With the above configuration, by applying an electric field, a magnetic field, or both an electric field and a magnetic field to the octapoles, it is possible to deflect primary and secondary electrons, or to deflect the primary and secondary electrons in opposite directions to separate them.

図9は、本発明のビームスプリッター例(パターンヨーク型)を示す。この図9は、既述した図8の(b)の円筒状極素材74を、図9のポールピース兼電極65とした例を示し、パターンヨークの上面図を示す。 Figure 9 shows an example of a beam splitter (pattern yoke type) of the present invention. This figure shows an example in which the cylindrical pole material 74 of Figure 8 (b) described above is used as the pole piece/electrode 65 of Figure 9, and shows a top view of the pattern yoke.

図9において、ポールピース兼電極65は、既述した図8の(b)の円筒状極素材74に対応するものであって、磁極と電極の両方として動作するものである。 In FIG. 9, the pole piece/electrode 65 corresponds to the cylindrical pole material 74 in FIG. 8(b) described above, and functions as both a magnetic pole and an electrode.

コイル66は、ポールピース兼電極65に、磁界を印加するものである。 The coil 66 applies a magnetic field to the pole piece/electrode 65.

磁気シールド67は、コイル61に電流を流して発生した外側(外部)に向かう磁界を短絡する円筒状の磁気シールドである。 The magnetic shield 67 is a cylindrical magnetic shield that short-circuits the magnetic field that is generated by passing a current through the coil 61 and directed outward (outside).

以上のように構成することにより、既述した図8の(b)の軸方向に回転する電極と磁極を構成してこれを1次電子あるいは2次電子の走行方向に回転する角度に対応させることにより、1次電子あるいは2次電子に対する偏向の収差を低減することが可能となる。 By configuring it as described above, it is possible to reduce the deflection aberration of the primary electrons or secondary electrons by configuring electrodes and magnetic poles that rotate in the axial direction of the previously described Figure 8 (b) and corresponding this to the angle of rotation in the direction of travel of the primary electrons or secondary electrons.

図10は、本発明の装置動作ブロック説明図を示す。 Figure 10 shows an explanatory diagram of the device operation of the present invention.

図10の(a)は1次電子の動作を示し、図10の(b)はサンプルから放出された2次電子の動作を示す。 Figure 10(a) shows the behavior of primary electrons, and Figure 10(b) shows the behavior of secondary electrons emitted from the sample.

図10の(a)において、S1は、電子銃が1次電子のビームを放射する。 In FIG. 10(a), S1 is an electron gun that emits a beam of primary electrons.

S2は、平行ビームにする。これは、S1で電子銃から放射された1次電子のビームを図示とのコンデンサレンズにより平行ビームにする。 S2 converts the beam into a parallel beam. This is done by converting the primary electron beam emitted from the electron gun in S1 into a parallel beam using the condenser lens shown in the figure.

S3は、第1偏向器で偏向する。これは、既述した図1、図2の第1偏向装置4で図示のように偏向する。 S3 is deflected by the first deflector. This is deflected as shown by the first deflection device 4 in Figures 1 and 2 described above.

S4は、第2編子器で偏向する。これは、既述した図1、図2の第2偏向装置5で図示のように偏向する。 S4 is deflected by the second knitting device. This is deflected as shown by the second deflection device 5 in Figures 1 and 2 described above.

S5は、対物レンズで収束する。これは、既述した図1、図2の対物レンズ7が1次電子のビームを細く絞る。 S5 is converged by the objective lens. This is because the objective lens 7 in Figures 1 and 2 narrows the primary electron beam.

S6は、1次電子減速する。これは、既述した図2のV1あるいはV2のリターディング電圧を印加し、1次電子を減速(加速電圧を減速)する。 S6 slows down the primary electrons. This applies the retarding voltage V1 or V2 in FIG. 2 described above, and slows down the primary electrons (decelerates the acceleration voltage).

S7は、サンプルに照射する。これは、S6のリターディング電圧により減速された、細く絞られた1次電子のビームをサンプル8に照射しつつ平面走査する。1次電子をサンプル8に照射すると、2次電子が発生する。 S7 irradiates the sample. This scans the sample 8 with a finely focused beam of primary electrons that has been decelerated by the retarding voltage of S6. When the sample 8 is irradiated with the primary electrons, secondary electrons are generated.

以上によって、既述した図1、図2の構成のもとで電子銃で発生させた1次電子を第1偏向器、第2偏向器で2段偏向して結果として1次電子のビームの走行方向をシフトさせ、細く絞ってサンプル8に照射しつつ平面走査し、2次電子を放出させることが可能となる。 As a result of the above, the primary electrons generated by the electron gun in the configuration of Figures 1 and 2 described above are deflected in two stages by the first deflector and the second deflector, resulting in a shift in the traveling direction of the primary electron beam, which can be narrowed down and irradiated onto the sample 8 while scanning it in a plane, thereby emitting secondary electrons.

次に、2次電子の動作について図10の(b)の順番に説明する。 Next, the operation of secondary electrons will be explained in the order shown in Figure 10 (b).

図10の(b)において、S11は、2次電子発生する。これは、図10の(a)のS7で1次電子をサンプル8に照射しつつ平面走査したことに対応して。2次電子が放出(発生)される。 In FIG. 10(b), S11 generates secondary electrons. This corresponds to S7 in FIG. 10(a) where the sample 8 is irradiated with primary electrons while being scanned across the plane. Secondary electrons are emitted (generated).

S12は、2次電子加速する。これは、S11で発生した2次電子は、既述した図2のV1あるいはV2のリターディング電圧により加速される。 S12 accelerates the secondary electrons. The secondary electrons generated in S11 are accelerated by the retarding voltage V1 or V2 in Figure 2 as described above.

S13は、対物レンズ通過する。これは、S12で加速された2次電子は、既述した図2の対物レンズ7の軸対称の強い磁界の作用により螺旋を描きながら上方向に進行し、該対物レンズ7を通過する。 S13 passes through the objective lens. This is because the secondary electrons accelerated in S12 travel upwards while drawing a spiral due to the action of the axially symmetric strong magnetic field of the objective lens 7 in FIG. 2 described above, and pass through the objective lens 7.

S14は、第2偏向器で偏向する。これは、既述した図1、図2の第2偏向装置5で図示のように偏向し、1次電子と、当該2次電子が分離される。 S14 is deflected by the second deflector. This is deflected as shown by the second deflection device 5 in Figures 1 and 2 described above, and the primary electrons and the secondary electrons are separated.

S15は、第3偏向器で偏向する。これは、S14で分離された2次電子を逆方向に偏向して偏向収差などをキャンセルする。 S15 deflects the secondary electrons using the third deflector. This deflects the secondary electrons separated by S14 in the opposite direction to cancel deflection aberrations, etc.

S16は、写像レンズで像形成する。これは、S15の第3偏向器で偏向された後の2次電子について、写像レンズで2次電子の像を電子顕出器の面上に形成(結像)させる。 S16 forms an image with a projection lens. This is done by forming (imaging) an image of the secondary electrons on the surface of the electron microscope using a projection lens for the secondary electrons deflected by the third deflector of S15.

S17は、電子検出器で検出する。S16で結像された2次電子を、2次電子検出器で検出する。 S17 detects with an electron detector. The secondary electrons imaged in S16 are detected with a secondary electron detector.

S18は、信号増幅する。これは、S17で検出した2次電子の信号を増幅する。 S18 is a signal amplifier. It amplifies the signal of the secondary electrons detected by S17.

S19は、PCで画像処理する。 S19 processes the images on a PC.

以上によって、既述した図1、図2の構成のもとでサンプル8から放出された2次電子を、第2偏向器、第3偏向器で2次電子を1次電子から分離すると共に、2段偏向して結果として2次電子のビームの走行方向をシフトさせ、2次電子のビームを高分解能に結像してサンプル8の表面の高分解能の2次電子画像を検出することが可能となる。 As a result of the above, the secondary electrons emitted from the sample 8 in the configurations already described in Figures 1 and 2 are separated from the primary electrons by the second and third deflectors, and are deflected in two stages, which results in a shift in the traveling direction of the secondary electron beam, and the secondary electron beam is imaged with high resolution, making it possible to detect a high-resolution secondary electron image of the surface of the sample 8.

図11は、本発明の装置調整フローチャートを示す。 Figure 11 shows the device adjustment flowchart of the present invention.

図11の(a)は調整フローチャートを示す。 Figure 11(a) shows the adjustment flowchart.

図11の(a)において、S21は、初期電界、磁界を印加する。これは、既述した図1、図2の第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6について、それぞれ実験で求めた最適な電圧、電流、電圧と電流の値に初期設定する。 In FIG. 11(a), S21 applies an initial electric field and magnetic field. This is done by initially setting the optimal voltage, current, and voltage and current values found through experiments for the first deflection device 4, second deflection device 5, and third deflection device 6 in FIG. 1 and FIG. 2.

S22は、電界磁界変更する。これは、S21で初期設定した電界、磁界のままでは、図1、図2の第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6が十分な動作しない場合、電界(電圧)、磁界(電流)を微細調整し、最適に偏向されて2次電子量が最大となるように調整する。 S22 changes the electric field and magnetic field. If the first deflection device 4, second deflection device 5, and third deflection device 6 in Figures 1 and 2 do not operate adequately with the electric field and magnetic field initially set in S21, the electric field (voltage) and magnetic field (current) are finely adjusted to optimally deflect and maximize the amount of secondary electrons.

S23は、2次電子量最大が判別する。YESの場合には、図1、図2の検出器で検出される2次電子の量が最大で、最適な偏向度合に第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の電界(電圧)、磁界(電流)、電界と電流が調整されたので、終了する。NOの場合には、S22を繰り返す。 In S23, it is determined whether the amount of secondary electrons is maximum. If YES, the amount of secondary electrons detected by the detectors in FIG. 1 and FIG. 2 is maximum, and the electric field (voltage), magnetic field (current), and electric field and current of the first deflection device 4, the second deflection device 5, and the third deflection device 6 have been adjusted to the optimal deflection degree, so the process ends. If NO, S22 is repeated.

以上によって、図1、図2の構成にいついて、第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の電界、磁界、電界と磁界を実験で求めた初期値に初期設定し、これから2次電子の量が最大となるように電界、磁界、電界と磁界を調整することにより、第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の調整を行うことが可能となる。 As described above, for the configurations of Figures 1 and 2, the electric field, magnetic field, and electric field and magnetic field of the first deflection device 4, second deflection device 5, and third deflection device 6 are initially set to initial values determined through experiments, and the electric field, magnetic field, and electric field and magnetic field are then adjusted so that the amount of secondary electrons is maximized, making it possible to adjust the first deflection device 4, second deflection device 5, and third deflection device 6.

図11の(b)は、軸調整フローチャート(偏向収差)を示す。 Figure 11(b) shows the axis adjustment flowchart (deflection aberration).

図11の(b)において、S31は、初期電界、磁界を印加する。これは、既述した図1、図2の第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6について、それぞれ実験で求めた偏向収差が最小となる電圧、電流、電圧と電流の値に初期設定する。 In FIG. 11(b), S31 applies an initial electric field and magnetic field. This is done by initially setting the voltage, current, and voltage and current values that minimize the deflection aberration determined by experiment for the first deflection device 4, second deflection device 5, and third deflection device 6 in FIG. 1 and FIG. 2.

S32は、アライメントパラメータ変更する。これは、S31で初期設定した電界、磁界のままでは、図1、図2の第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の偏向収差が大きく、十分な量の2次電子の量が検出できない場合、対向する極の電界、磁界を微細調整などし、電界、磁界の中心軸を調整し、2次電子量が最大となるように調整する。 In S32, the alignment parameters are changed. If the deflection aberration of the first deflection device 4, second deflection device 5, and third deflection device 6 in Figures 1 and 2 is large and a sufficient amount of secondary electrons cannot be detected with the electric field and magnetic field initially set in S31, fine adjustments are made to the electric field and magnetic field of the opposing poles, and the central axes of the electric field and magnetic field are adjusted so that the amount of secondary electrons is maximized.

S33は、2次電子量が最大が判別する。YESの場合には、図1、図2の検出器で検出される2次電子の量が最大で、第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の電界、磁界の軸中心が最適に調整されたので、終了する。NOの場合には、S32を繰り返す。 In S33, it is determined whether the amount of secondary electrons is maximum. If YES, the amount of secondary electrons detected by the detectors in FIG. 1 and FIG. 2 is maximum, and the axial centers of the electric field and magnetic field of the first deflection device 4, the second deflection device 5, and the third deflection device 6 have been optimally adjusted, so the process ends. If NO, S32 is repeated.

以上によって、図1、図2の構成のもとで、第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の偏向収差が最小となる実験で求めた初期値に初期設定し、これから2次電子の量が最大となるように電界、磁界の対向する極の強さなどを加減し軸中心を調整することにより、偏向収差を最小に調整することが可能となる。 As described above, with the configurations of Figures 1 and 2, the deflection aberration of the first deflection device 4, the second deflection device 5, and the third deflection device 6 is initially set to the initial value determined through experiments that minimizes it, and then the deflection aberration can be adjusted to a minimum by adjusting the axial center and adjusting the strength of the opposing poles of the electric field and magnetic field so that the amount of secondary electrons is maximized.

図11の(c)は、軸調整フローチャート(回転方向)を示す。 Figure 11 (c) shows the axis adjustment flowchart (rotation direction).

図11の(b)において、S41は、初期電界、磁界を印加する。これは、既述した図1、図2の第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6について、それぞれ実験で求めた最適な回転方向となる電圧、電流、電圧と電流の値に初期設定する。 In FIG. 11(b), S41 applies an initial electric field and magnetic field. This is done by initially setting the voltage, current, and voltage and current values that will result in the optimal rotation direction determined by experiment for the first deflection device 4, second deflection device 5, and third deflection device 6 in FIG. 1 and FIG. 2.

S42は、アライメントパラメータ変更する。これは、S41で初期設定した電界、磁界のままでは、図1、図2の第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6による回転方向がずれ、十分な量の2次電子の量が検出できない場合、対向する極の電界、磁界などを微細調整して電界、磁界による回転方向を調整し、2次電子量が最大となるように調整する。 In S42, the alignment parameters are changed. If the direction of rotation caused by the first deflection device 4, second deflection device 5, and third deflection device 6 in Figures 1 and 2 is shifted and a sufficient amount of secondary electrons cannot be detected if the electric field and magnetic field initially set in S41 are left unchanged, the electric field and magnetic field of the opposing poles are finely adjusted to adjust the direction of rotation caused by the electric field and magnetic field, and the amount of secondary electrons is adjusted to be maximized.

S43は、2次電子量最大が判別する。YESの場合には、図1、図2の検出器で検出される2次電子の量が最大で、第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の電界、磁界による回転方向が最適に調整されたので、終了する。NOの場合には、S42を繰り返す。 In S43, it is determined whether the amount of secondary electrons is maximum. If the answer is YES, the amount of secondary electrons detected by the detectors in FIG. 1 and FIG. 2 is maximum, and the direction of rotation by the electric field and magnetic field of the first deflection device 4, the second deflection device 5, and the third deflection device 6 has been optimally adjusted, so the process ends. If the answer is NO, S42 is repeated.

以上によって、図1、図2の構成のもとで、第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の電界、磁界による回転方向を実験で求めた初期値に初期設定し、これから偏向器を通過して検出される2次電子の量が最大となるように電界、磁界の対向する極の強さなどを加減して回転方向を調整することにより、第1偏向装置4、第2偏向装置5、第3偏向装置6の電圧、磁界による回転方向を最適に調整することが可能となる。原理の上では偏向装置を本来の電子ビーム軌道に対してお互いに対称に配置してかつ通過する電子ビームが出来るだけ同じようにかつお互いに逆に成るように調節すると収差を最も小さくすることが出来る。 In this way, with the configuration of Figures 1 and 2, the direction of rotation caused by the electric field and magnetic field of the first deflection device 4, second deflection device 5, and third deflection device 6 is initially set to the initial value determined by experiment, and then the direction of rotation is adjusted by adjusting the strength of the opposing poles of the electric field and magnetic field so that the amount of secondary electrons detected after passing through the deflectors is maximized. This makes it possible to optimally adjust the direction of rotation caused by the voltage and magnetic field of the first deflection device 4, second deflection device 5, and third deflection device 6. In principle, aberration can be minimized by arranging the deflection devices symmetrically with respect to the original electron beam trajectory and adjusting them so that the passing electron beams are as similar as possible and opposite to each other.

本発明の原理構成図である。FIG. 1 is a diagram illustrating the principle of the present invention. 本発明の1実施例構成図である。FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment of the present invention. 本発明の詳細説明図(電子源)である。FIG. 2 is a detailed explanatory diagram (electron source) of the present invention. 本発明の詳細説明図(2次電子検出装置)である。FIG. 2 is a detailed explanatory diagram (secondary electron detection device) of the present invention. 本発明の装置例である。1 is an example of an apparatus according to the present invention. 本発明の装置例(その2)である。2 is a second example of an apparatus according to the present invention. 本発明の装置例(その3)である。3 is an example (part 3) of the device of the present invention. 本発明のビームスプリッタ―例である。1 is an example of a beam splitter according to the present invention. 本発明のピームスプリッター例(パターンヨーク型)である。1 shows an example of a beam splitter (pattern yoke type) of the present invention. 本発明の装置動作ブロック説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of an operation block of the device of the present invention. 本発明の措置調整フローチャートである。2 is a flow chart of the measures adjustment of the present invention.

1:1次電子
2:2次電子
3:ビームスプリッタ―
4:第1偏向装置
5:第2偏向装置
5-1:スペーサ
6:第3偏向装置
7:対物レンズ
7-1:コイル
8:サンプル
9:絞り
31、31-1:エミッター
32、32-1:エクストラクタ
33、33-1:加速電極
34、34-1:レンズ
35、35-1:対物アパチャー
41:電子銃
42:ブランキング装置
43:ブランキングアパチャー
44:対物アパチャー
45:第1偏向装置
46:第2偏向装置
47:第3偏向装置
48:対物レンズ
49:ミラー
50:偏向装置
51:XYZステージ
52:真空チャンバー
53:真空ポンプ
54:電子検出装置
55:隔膜(薄膜)
56:マスフロー制御装置
57:ガス
58:収差補正装置
61:電極兼ポールピース
62:コイル
63:ヨーク
65:ポールピース兼電極
66:コイル
67:磁気シールド
71:切込み
72:、73:タップ
74:円筒状極素材
V1、V2:リターディング電圧
1: Primary electrons 2: Secondary electrons 3: Beam splitter
4: First deflection device 5: Second deflection device 5-1: Spacer 6: Third deflection device 7: Objective lens 7-1: Coil 8: Sample 9: Aperture 31, 31-1: Emitter 32, 32-1: Extractor 33, 33-1: Acceleration electrode 34, 34-1: Lens 35, 35-1: Objective aperture 41: Electron gun 42: Blanking device 43: Blanking aperture 44: Objective aperture 45: First deflection device 46: Second deflection device 47: Third deflection device 48: Objective lens 49: Mirror 50: Deflection device 51: XYZ stage 52: Vacuum chamber 53: Vacuum pump 54: Electron detection device 55: Diaphragm (thin film)
56: Mass flow control device 57: Gas 58: Aberration correction device 61: Electrode/pole piece 62: Coil 63: Yoke 65: Pole piece/electrode 66: Coil 67: Magnetic shield 71: Notch 72:, 73: Tap 74: Cylindrical pole material V1, V2: Retarding voltage

Claims (5)

マルチビーム電子銃で発生された1次電子をサンプルに照射し、該サンプルから放出された2次電子を検出して該サンプルの2次電子画像を生成するマルチビーム検査装置において、
マルチビーム電子銃で1次電子を生成して加速する1次電子照射系と、
前記1次電子照射系で生成された1次電子を偏向する第1偏向装置と、
前記第1偏向装置で偏向された1次電子を逆方向に偏向して収差をキャンセルし、結像系の軸に一致させてサンプルに照射させると共に、該サンプルから放出された2次電子を前記1次電子と逆方向に偏向して分離する、少なくとも磁界で構成される第2偏向装置と、
前記第2偏向装置で偏向されて結像系の軸に一致させた後の前記1次電子を細く絞ってサンプルに照射すると共に、サンプルから放出された2次電子を前記第2偏向装置に入射させる対物レンズからなる結像系と、
前記第2偏向装置で偏向して分離された前記2次電子を、該第2偏向装置の偏向方向と逆方向に偏向して収差をキャンセルする第3偏向装置と、
前記第3偏向装置で偏向して収差をキャンセルした後の2次電子を検出する2次電子検出系とを備え、
前記結像系の軸を中心に、前記1次電子照射系の軸と、前記2次電子検出系の軸とを対称に構成し、前記偏向に伴う収差をそれぞれキャンセルして前記1次電子および前記2次電子に発生する該収差を低減したことを特徴とするマルチビーム検査装置。
A multi-beam inspection device which irradiates a sample with primary electrons generated by a multi-beam electron gun, detects secondary electrons emitted from the sample, and generates a secondary electron image of the sample,
A primary electron irradiation system that generates and accelerates primary electrons using a multi-beam electron gun;
a first deflection device that deflects the primary electrons generated by the primary electron irradiation system;
a second deflection device, which is formed of at least a magnetic field, for deflecting the primary electrons deflected by the first deflection device in a reverse direction to cancel aberration, irradiating the sample with the primary electrons in agreement with an axis of an imaging system, and for deflecting secondary electrons emitted from the sample in a reverse direction to the primary electrons to separate them;
an imaging system including an objective lens for narrowing the primary electrons, which have been deflected by the second deflection device and aligned with an axis of the imaging system, to irradiate a sample, and for allowing secondary electrons emitted from the sample to enter the second deflection device;
a third deflection device that deflects the secondary electrons deflected and separated by the second deflection device in a direction opposite to a deflection direction of the second deflection device to cancel aberration;
a secondary electron detection system that detects the secondary electrons after being deflected by the third deflection device and canceling the aberration,
A multi-beam inspection device characterized in that the axis of the primary electron irradiation system and the axis of the secondary electron detection system are configured symmetrically around the axis of the imaging system, and the aberrations caused by the deflection are canceled out, thereby reducing the aberrations generated in the primary electrons and the secondary electrons.
前記マルチビーム電子銃がコールドカーソードアレイから成ることを特徴とする請求項1に記載のマルチビーム検査装置。 The multi-beam inspection device according to claim 1, characterized in that the multi-beam electron gun is composed of a cold cathode array. 前記サンプルと前記対物レンズとの間にリターディング用のバイアス電圧を印加したことを特徴とする請求項1から請求項2のいずれかに記載のマルチビーム検査装置。 The multi-beam inspection device according to any one of claims 1 to 2, characterized in that a retarding bias voltage is applied between the sample and the objective lens. 前記対物レンズの部分に隔膜を設けて、該隔膜を境にサンプル側を低真空、反対側を高真空に保持したことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載のマルチビーム検査装置。 A multi-beam inspection device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a diaphragm is provided in the objective lens portion, and the sample side is maintained at a low vacuum and the opposite side at a high vacuum, with the diaphragm as a boundary. マルチビーム電子銃で発生された1次電子をサンプルに照射し、該サンプルから放出された2次電子を検出して該サンプルの2次電子画像を生成するマルチビーム検査方法において、
マルチビーム電子銃で1次電子を生成して加速する1次電子照射系と、
前記1次電子照射系で生成された1次電子を偏向する第1偏向装置と、
前記第1偏向装置で偏向された1次電子を逆方向に偏向して収差をキャンセルし、結像系の軸に一致させてサンプルに照射させると共に、該サンプルから放出された2次電子を前記1次電子と逆方向に偏向して分離する、少なくとも磁界で構成される第2偏向装置と、
前記第2偏向装置で偏向されて結像系の軸に一致させた後の前記1次電子を細く絞ってサンプルに照射すると共に、サンプルから放出された2次電子を前記第2偏向装置に入射させる対物レンズからなる結像系と、
前記第2偏向装置で偏向して分離された前記2次電子を、該第2偏向装置の偏向方向と逆方向に偏向して収差をキャンセルする第3偏向装置と、
前記第3偏向装置で偏向して収差をキャンセルした後の2次電子を検出する2次電子検出系とを設け、
前記結像系の軸を中心に、前記1次電子照射系の軸と、前記2次電子検出系の軸とを対称に構成し、前記偏向に伴う収差をそれぞれキャンセルして前記1次電子および前記2次電子に発生する該収差を低減することを特徴とするマルチビーム検査方法。
1. A multi-beam inspection method for irradiating a sample with primary electrons generated by a multi-beam electron gun and detecting secondary electrons emitted from the sample to generate a secondary electron image of the sample, comprising:
A primary electron irradiation system that generates and accelerates primary electrons using a multi-beam electron gun;
a first deflection device that deflects the primary electrons generated by the primary electron irradiation system;
a second deflection device, which is formed of at least a magnetic field, for deflecting the primary electrons deflected by the first deflection device in a reverse direction to cancel aberration, irradiating the sample with the primary electrons in agreement with an axis of an imaging system, and for deflecting secondary electrons emitted from the sample in a reverse direction to the primary electrons to separate them;
an imaging system including an objective lens for narrowing the primary electrons, which have been deflected by the second deflection device and aligned with an axis of the imaging system, to irradiate a sample, and for allowing secondary electrons emitted from the sample to enter the second deflection device;
a third deflection device that deflects the secondary electrons deflected and separated by the second deflection device in a direction opposite to a deflection direction of the second deflection device to cancel aberration;
a secondary electron detection system for detecting the secondary electrons after the aberration is cancelled by the deflection by the third deflection device,
A multi-beam inspection method, characterized in that an axis of the primary electron irradiation system and an axis of the secondary electron detection system are configured symmetrically around the axis of the imaging system, and aberrations caused by the deflection are canceled out, thereby reducing the aberrations generated in the primary electrons and the secondary electrons.
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