JP3266336B2 - 電子ビーム走査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子ビーム走査装置、
特に、先端が鋭く尖った微細電極と該微細電極の先端部
を取り囲むようにして配置されたゲートとをペアにして
マトリクス状に配列した多数の電子エミッタ部を備え、
該電子エミッタ部から放射された多数の電子ビームを同
時に試料表面に照射して該試料表面に任意のパターンを
描画したり、試料表面の状態を観察したりする電子ビー
ム走査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近時、超ＬＳＩの微細回路パターンの作
成やその検査に、先鋭な電子ビームを利用する電子ビー
ム描画装置や電子ビーム検査装置などの電子ビーム走査
装置が使用されている。例えば、電子ビーム描画装置
は、任意の露光データに基づいて偏向電圧を生成し、こ
の偏向電圧を偏向電極に与えることによって、電子ビー
ムを自在に偏向走査しながら、あたかも１本の筆によっ
てパターンを描くようにして試料（チップ）表面に任意
のパターンを形成する。ところで、こうした既存の装置
では、１本の電子ビームを使用するために描画に多大な
時間を要し、また、大きな面積を描画しようとすると、
走査領域を逐次に移動しながら描画処理を繰り返すとい
ったいわゆるステップアンドレピートを行う必要があ
り、スループットの面で満足のいくものではなかった。

【０００３】こうした欠点を補う装置として、多数の微
細電極をマトリクス状に配列した電子ビーム走査装置
（以下、従来装置）が注目されている。図１９はその電
子ビーム発生源の要部断面図である。基板１には、先端
が鋭く尖った微細電極２ａと該微細電極２ａの先端部を
取り囲むようにして配置されたゲート２ｂとをペアにし
た多数の電子エミッタ部３が形成され、各々の電子エミ
ッタ部３から引き出された多数本の電子ビーム４が収束
電極５及び偏向電極６を通過した後、試料７の表面に同
時に照射されるようになっている。

【０００４】また、各電子ビーム４の出口付近には、試
料７からの反射電子または２次電子（以下、反射電子で
代表）を検出する検出器８が取り付けられており、各検
出器８の出力信号に基づいて電子ビーム４ごとの照射領
域の状態を観測できるようになっている。この装置で
は、多数本の電子ビーム４を同時に照射でき、また、大
きな照射面積を一度に処理することができるので、スル
ープットを格段に向上することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
従来装置にあっては、検出器の間隔が極めて狭いため
に、隣接する照射領域から反射電子が飛び込みやすい欠
点があり、検出精度を十分に高めることができないとい
った解決すべき課題があった。そこで、本発明は、隣接
する照射領域からの反射電子の飛び込みを積極的に回避
し、あるいは、飛び込みに起因するＳ／Ｎ比の悪化を補
償して検出精度を十分に高めることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
先端が鋭く尖った微細電極と該微細電極の先端部を取り
囲むようにして配置されたゲートとをペアにしてマトリ
クス状に配列する多数の電子エミッタ部と、前記電子エ
ミッタ部ごとの収束電極、偏向電極及び検出器とを備
え、各電子エミッタ部からの電子ビームを平行且つ同時
に引出して試料表面に照射し、試料表面からの反射電子
または２次電子を電子ビームごとに前記検出器の検知面
で捕捉し、該捕捉反射電子の量または捕捉２次電子の量
に基づいて試料表面の状態を検査する電子ビーム走査装
置において、前記試料表面と検知面との間であって、且
つ、前記試料表面から検知面までの距離と検知面のサイ
ズとから割り出される所定位置に、電子ビームの軸と開
口中心が一致する所定内径の穴開きマスクを配置したこ
とを特徴とする。

【０００７】請求項２記載の発明は、先端が鋭く尖った
微細電極と該微細電極の先端部を取り囲むようにして配
置されたゲートとをペアにしてマトリクス状に配列する
多数の電子エミッタ部と、前記電子エミッタ部ごとの収
束電極、偏向電極及び検出器とを備え、各電子エミッタ
部からの電子ビームを平行且つ同時に引出して試料表面
に照射し、試料表面からの反射電子または２次電子を電
子ビームごとに前記検出器の検知面で捕捉し、該捕捉反
射電子の量または捕捉２次電子の量に基づいて試料表面
の状態を検査する電子ビーム走査装置において、所定の
長さを有する多数の細管の束を、該細管の長手方向が前
記電子ビームの軸と平行するように配置したことを特徴
とする。

【０００８】請求項３記載の発明は、先端が鋭く尖った
微細電極と該微細電極の先端部を取り囲むようにして配
置されたゲートとをペアにしてマトリクス状に配列する
多数の電子エミッタ部と、前記電子エミッタ部ごとの収
束電極、偏向電極及び検出器とを備え、各電子エミッタ
部からの電子ビームを平行且つ同時に引出して試料表面
に照射し、試料表面からの反射電子または２次電子を電
子ビームごとに前記検出器の検知面で捕捉し、該捕捉反
射電子の量または捕捉２次電子の量に基づいて試料表面
の状態を検査する電子ビーム走査装置において、前記検
出器を収束電極及び偏向電極と電子エミッタ部の間に配
置したことを特徴とする。

【０００９】請求項４記載の発明は、先端が鋭く尖った
微細電極と該微細電極の先端部を取り囲むようにして配
置されたゲートとをペアにしてマトリクス状に配列する
多数の電子エミッタ部と、前記電子エミッタ部ごとの収
束電極、偏向電極及び検出器とを備え、各電子エミッタ
部からの電子ビームを平行且つ同時に引出して試料表面
に照射し、試料表面からの反射電子または２次電子を電
子ビームごとに前記検出器の検知面で捕捉し、該捕捉反
射電子の量または捕捉２次電子の量に基づいて試料表面
の状態を検査する電子ビーム走査装置において、前記１
つの検出器の周囲に位置する複数の検出器からの各信号
に所定の係数を乗じた値を、該１つの検出器の検出値か
ら減算することを特徴とする。

【００１０】請求項５記載の発明は、請求項４記載の電
子ビーム走査装置において、１つの電子ビームが照射す
る試料表面からの反射電子または２次電子の空間的分布
に基づいて、１つの検出器と他の全ての検出器に飛び込
む反射電子量または２次電子量を係数化し、全ての検出
器からの各信号と該係数とを用いて１つの検出器からの
信号の真の値または該真の値に近似する値を求めること
を特徴とする。

【００１１】請求項６記載の発明は、請求項１、２、
３、４または５記載の電子ビーム走査装置において、前
記検出器に、試料電位に対して正の電位を与えることを
特徴とする。請求項７記載の発明は、請求項１、２、
３、４または５記載の電子ビーム走査装置において、前
記試料に、検出器若しくは鏡筒に対して負の電位を与え
ることを特徴とする。

【００１２】

【作用】請求項１記載の発明では、隣接する描画領域か
らの反射電子または２次電子が穴開きマスクによって遮
蔽され、飛び込みが回避される。請求項２記載の発明で
は、隣接する描画領域からの反射電子または２次電子が
細管によって遮蔽され、飛び込みが回避される。

【００１３】請求項３記載の発明では、隣接する描画領
域からの反射電子または２次電子が収束電極や偏向電極
よりも奥側の検出器に到達せず、飛び込みが回避され
る。請求項４〜５記載の発明では、各検出器の信号が信
号処理され、飛び込みに起因するＳ／Ｎ比の悪化が補正
される。請求項６、７記載の発明では、反射電子または
２次電子に指向性が与えられ、隣接する検出器への飛び
込みが回避される。

【００１４】したがって、請求項１〜３または６、７記
載の発明にあっては、何れも、隣接する描画領域からの
反射電子の飛び込みを回避することができ、検出精度を
十分に高めることができる。また、請求項４、５記載の
発明にあっては、信号処理によって飛び込みを補償する
ことができ、同様に、検出精度を十分に高めることがで
きる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は請求項１に記載の発明に係る電子ビーム走
査装置の一実施例を示す図である。図１（ａ）におい
て、１０は多数の電子エミッタ部（図１９の符号３参
照）の１つから発射された電子ビーム、１１は該１つの
電子エミッタ部に隣接する他の１つから発射された電子
ビームである。代表して示すこれら２本の電子ビーム１
０、１１は、試料１２の表面上の距離Ｌを隔てた２つの
点Ｐ₁ 、Ｐ₂ に同時に照射され、点Ｐ₁ 、Ｐ₂ からはそ
れぞれ電子（または２次電子）が放出される。

【００１６】１３、１４は電子ビーム１０、１１の出口
付近に設けられた検出器であり、これらの検出器１３、
１４は、電子ビームごとの反射電子または２次電子を所
定面積の検知面で捕捉し、その捕捉量に比例した電気信
号を出力するものである。ここで、検出器１３、１４と
試料１２の間には、図１（ｂ）にその平面図を示すよう
な穴開きマスク１５が配置されている。この穴開きマス
ク１５には、電子ビームの本数分の円形穴（例えば１５
ａ〜１５ｉまでの９個）が形成されており、各々の円形
穴（例えば１５ａ、１５ｂ）の中心と電子ビーム（例え
ば１０、１１）の軸とが正確に一致するようになってい
る。

【００１７】穴開きマスク１５の好ましい位置は、次の
ようにして割り出される。すなわち、試料１２の表面か
ら検出器１３、１４の検知面までの距離をｈ、試料１２
の表面から穴開きマスク１５までの距離をｙ、検出器１
３、１４の検知面の半径（検知面のサイズに相当）を
ａ、穴開きマスク１５の円形穴１５ａ〜１５ｉの半径を
ｘ、電子ビーム照射点Ｐ₁ 、Ｐ₂ の間隔をＬとすると、
図１（ｃ）のグラフに示すように、ｘ／ａまたはｙ／ｈ
が１．０から０．５までの範囲で、且つ、ａ／Ｌが０か
ら０．５までの範囲に収まるようなｘの値とｙの値を選
択すればよい。

【００１８】例えば、検出器１３、１４の間隔をほぼゼ
ロにした場合には、ａ／Ｌ＝０．５になるから、ｘ／ａ
またはｙ／ｈが０．５になるようにすればよく、検知面
半径（ａ）のほぼ半分の半径（ｘ）をもつ円形穴を、試
料１２の表面から検出器１３、１４までのほぼ中間（ｙ
／ｈ＝０．５）に位置するようにすればよい。因みに、
図１（ａ）はａ／Ｌ≒ｘ／ａ≒ｙ／ｈ≒０．５の配置例
であり、点Ｐ ₁ から検出器１３に向かう反射電子１６
と、点Ｐ₂ から検出器１４に向かう反射電子１７はそれ
ぞれ支障なく円形穴１５ａ、１５ｂを通過するが、隣接
電子ビームからの反射電子、例えば点Ｐ₁ から検出器１
４に向かう反射電子１８は、穴開きマスク１５の非開口
部分に遮蔽される。したがって、本実施例によれば、隣
接する照射領域からの反射電子（例えば１８）の飛び込
みを積極的に回避でき、検出精度を十分に高めることが
できる。

【００１９】図２は請求項２に記載の発明に係る電子ビ
ーム走査装置の一実施例を示す図であり、図に示すよう
に、全ての検出器（代表して２０、２１）に接近して細
管の束２２を配置したものである。かかる細管の束とし
ては、例えばＭＣＰ（マイクロ・チャネル・プレート）
等の電子増倍管に使用する２０μｍφ程度の鉛ガラス細
管等を所定の長さに切り揃えて数ｃｍφに束ねるものが
使用可能である。電子倍増管では、電子ビームの軸に対
して細管を僅かに傾けるようにし、細管の内壁に電子ビ
ームを衝突させて、内壁電位に応じたエネルギーを反射
電子に与える。本実施例では、細管の長手方向と電子ビ
ームの軸とを正確に一致させる点と、内壁に電位を与え
ない点で電子倍増管の使用方法と異なる。

【００２０】このようにすると、細管を通して電子ビー
ム（代表して２３、２４）を支障なく試料２５表面に照
射できると共に、試料２５表面からの反射電子のうち、
所定反射角度以下の反射電子２６だけに制限して細管を
通すことができ、隣接する描画領域からの反射電子２７
（反射角度が大きい）の飛び込みを積極的に回避して、
検出精度を十分に高めることができる。なお、上記反射
角度は、細管の内径や長さによって自在に調節すること
ができる。

【００２１】図３は請求項３に記載の発明に係る電子ビ
ーム走査装置の一実施例を示す図である。この例では図
に示すように、収束電極３０や偏向電極３１のような電
子レンズ系と電子エミッタ部（図１９の符号３参照）の
間に検出器３２を位置させる。このようにすると、自己
の電子レンズ系の焦点からの反射電子３４は、凸レンズ
の原理により、自己の電子ビーム３５の軸とほぼ平行に
曲げられて支障なく検出器３２に到達するが、隣接する
電子レンズ系（図示略）の焦点からの反射電子３６は、
電子ビーム３５の軸に角度をもって交差するから、奥ま
った位置の検出器３２への到達（すなわち飛び込み）を
回避でき、検出精度を十分に高めることができる。

【００２２】図４〜図５は請求項４に記載の発明に係る
電子ビーム走査装置の一実施例を示す図である。図４に
おいて、５１〜５９はマトリクス配列された電子エミッ
タ部（図１９の符号３参照）ごとに配置された検出器で
あり、それぞれは所定の微小間隔で等しく並べられてい
る。各検出器からの検出信号ＰＳ₅₁〜ＰＳ₅₉は、信号処
理部６０に与えられ、所定の信号処理を受けた後、
「真」の検出信号ＳＳ₅₁〜ＳＳ₅₉として取り出される。

【００２３】ここで、図５に示すように、隣り合う２つ
の検出器（例えば図４の検出器５１、５２）に着目する
と、そのうちの１つの検出器（例えば５２）は、当該検
出器５２に対応する電子ビーム発生源からの電子ビーム
６１の反射電子６２を捕捉すると共に、隣りの検出器５
１に対応する電子ビーム発生源からの電子ビーム６３の
反射電子（以下、飛び込み電子）６４も捕捉するので、
この飛び込み電子６４によって当該検出器５２のＳ／Ｎ
比が悪化する。なお、実際のＳ／Ｎ比の悪化は、当該検
出器５２の周囲の複数本の電子ビームの影響によってさ
らに大きくなる。

【００２４】検出器５１、５２の検出信号ＰＳ₅₁、ＰＳ
₅₂は、それぞれ次式（１）（２）で与えられる。 ＰＳ₅₁＝ＳＳ₅₁＋Ｎ₅₂ ……（１） ＰＳ₅₂＝ＳＳ₅₂＋Ｎ₅₁ ……（２） ＳＳ₅₁は電子ビーム６３の反射電子６５に相当する値、
ＳＳ₅₂は電子ビーム６１の反射電子６２に相当する値で
あり、これらの値は、検出器５１、５２によって検出し
ようとする「真」の値である。また、Ｎ₅₁は電子ビーム
６３の飛び込み電子６４に相当する値、Ｎ₅₂は電子ビー
ム６１の飛び込み電子（図示略）に相当する値であり、
上記真の値に重畳してＳ／Ｎ比を悪化させる原因となる
値である。

【００２５】Ｎ₅₁は次式（３）に示すように反射電子６
５（ＳＳ₅₁）に比例し、また、Ｎ₅₂は次式（４）に示す
ように反射電子６２（ＳＳ₅₂）に比例する。すなわち、
反射電子６５（または６２）が多いほどＮ₅₁（またはＮ
₅₂）が大きくなる。 Ｎ₅₁＝ｋ・ＳＳ₅₁ ……（３） Ｎ₅₂＝ｋ・ＳＳ₅₂ ……（４） 上式（３）（４）のｋは、Ｎ₅₁とＳＳ₅₁の間、または、
Ｎ₅₂とＳＳ₅₂の間の係数であり、この係数ｋの大きさは
２つの検出器５１、５２の位置関係によって決まる。例
えば、２つの検出器５１、５２が互いに極めて接近して
いれば係数ｋが大きくなり、逆に離れていれば小さくな
る。なお、Ｎ₅₁〜ＳＳ₅₁間の係数とＮ₅₂〜ＳＳ₅₂間の係
数は、検出器の誤差等を考えると厳密には一致しない
が、検出器の離隔距離や検知面サイズ等の平均設計デー
タから求めた代表的な係数ｋでも支障ない。

【００２６】ここで、上式（１）（２）から次式（５）
（６）が導かれる。 ＰＳ₅₁＝（１−ｋ² ）・ＳＳ₅₁＋ｋ・ＰＳ₅₂ ……（５） ＰＳ₅₂＝（１−ｋ² ）・ＳＳ₅₂＋ｋ・ＰＳ₅₁ ……（６） ｋは１以下であるから、 ＰＳ₅₁〜ＳＳ₅₁＋ｋ・ＰＳ₅₂ ∴ ＳＳ₅₁〜ＰＳ₅₁−ｋ・ＰＳ₅₂ ……（７） ＰＳ₅₂〜ＳＳ₅₂＋ｋ・ＰＳ₅₁ ∴ ＳＳ₅₂〜ＰＳ₅₂−ｋ・ＰＳ₅₁ ……（８） となる。

【００２７】したがって、検出器５１の検出信号ＰＳ₅₁
からノイズ分を取り除いて真の信号ＳＳ₅₁を得るには、
検出器５２の検出信号ＰＳ₅₂に係数ｋを乗じ、その値を
ＰＳ ₅₁から減算すればよい。あるいは、検出器５２の検
出信号ＰＳ₅₂からノイズ分を取り除いて真の信号ＳＳ₅₂
を得るには、検出器５１の検出信号ＰＳ₅₁に係数ｋを乗
じ、その値をＰＳ₅₂から減算すればよい。

【００２８】図６は上記の減算処理を行うためのブロッ
ク構成例である。この例は、図６（ａ）に示すように、
２個の減算器７０、７１と２個の乗算器７２、７３を備
え、乗算器７３で検出信号ＰＳ_A と係数ｋ_A を乗算し、
減算器７１で検出信号ＰＳ_Bからその乗算結果を減算し
て「真」の検出信号ＳＳ_B を得るものである。または、
乗算器７２で検出信号ＰＳ_B と係数ｋ_B を乗算し、減算
器７０で検出信号ＰＳ _A からその乗算結果を減算して
「真」の検出信号ＳＳ_A を得るものである。なお、好ま
しい回路構成は、図６（ｂ）に示すように、差動増幅器
８０、８１で減算器を構成し、それぞれの差動増幅器８
０、８１の反転入力（−）を抵抗Ｒ_A 、Ｒ _B を介して入
力すると共に、それぞれの反転入力（−）と検出信号入
力端子８２、８３の間に可変抵抗ＶＲ_A 、ＶＲ_B を介在
させてもよい。可変抵抗ＶＲ_A 、ＶＲ_B によって各検出
信号の係数（ｋ_A 、Ｋ_B ）を自在に設定することができ
る。

【００２９】以上では、２つの検出信号を例にして説明
したが、実際には多くの検出器を対象として減算処理を
する必要がある。例えば、図４のような配列の９個の検
出器５１〜５９を例にすると、真の検出信号を得ようと
する検出器（例えば図４の検出器５５参照）との間の係
数が等しくなる位置関係にあるいくつかの検出器グルー
プ、例えば、検出器５２、５４、５６及び５８のグルー
プ（以下、αグループ）と、検出器５１、５３、５７及
び５９のグループ（以下、βグループ）とに分け、各グ
ループ内の検出信号の和を求めた後、その和の値にグル
ープ内共通の係数（例えば、αグループにはｋα）を乗
じ、検出器５５の検出信号ＰＳ₅₅から減算すればよい。
次式（９）はその演算式である。

【００３０】 ＳＳ₅₅＝ＰＳ₅₅−ｋα・ΣＰＳα−ｋβ・ΣＰＳβ ……（９） 但し、ΣＰＳα＝ＰＳ₅₂＋ＰＳ₅₄＋ＰＳ₅₆＋ＰＳ₅₈ ΣＰＳβ＝ＰＳ₅₁＋ＰＳ₅₃＋ＰＳ₅₇＋ＰＳ₅₉ すなわち、上式（９）は真の検出信号ＳＳ₅₅を得ようと
する検出器５５からの距離が等しい複数の検出器の信号
を、等しい係数ｋαまたはｋβでくくったものである。

【００３１】なお、係数が異なる場合には、次式（１
０）のようにしてもよい。 ＳＳ₅₅＝ＰＳ₅₅−ｋ_51-55・ＰＳ₅₁−ｋ_52-55・ＰＳ₅₂−ｋ_53-55・ＰＳ₅₃ −ｋ_54-55・ＰＳ₅₄、……、−ｋ_59-55・ＰＳ₅₉ ……（１０） 但し、係数の添字、例えば５１−５５は、検出器５１と
検出器５５の間に適用される係数であることを表してい
る。

【００３２】図７を用いてＳ／Ｎ比の向上効果をさらに
詳しく説明する。照射領域の反射電子の放出量が小さい
パターン無しの場合の検出信号は１本の棒グラフ９０で
示され、逆に放出量が大きいパターン有りの場合の検出
信号は２本の棒グラフ９１、９２で示されている。ま
た、それぞれの棒グラフのハッチング部分は、真の検出
信号の大きさであり、それぞれＳ_OFF （パターン無
し）、Ｓ_ON（パターン有り）で表されている。

【００３３】今、任意の検出器でパターン有りを検出し
た場合を考える。この場合、仮に隣接ビームからの飛び
込み電子がゼロであれば、棒グラフ９１（または９２）
のハッチング部分に相当する信号、すなわち真の検出信
号に相当する信号Ｓ_ONが得られるが、隣接ビームからの
飛び込み電子があると、その隣接ビーム照射位置におけ
るパターンの有無に応じたノイズ成分が信号Ｓ_ONに重畳
される。例えば、隣接ビームの全てがパターン有りのと
きには最大のノイズ成分（Ｎ_max ）が重畳され、また、
隣接ビームの全てがパターン無しのときには最小のノイ
ズ成分（Ｎ_min）が重畳される。次式（１１）は、図７
のＳ／Ｎ比を示す式である。

【００３４】 Ｓ／Ｎ＝（Ｓ_ON−Ｓ_OFF ）／（Ｓ_ON＋“Ｎ”−Ｓ_ON） ……（１１） 式中の“Ｎ”にはＮ_max からＮ_min までの値が入るため
に、その値が大きいほどＳ／Ｎ比を悪化させることにな
るが、隣接ビームとの間に最適な係数ｋ（パターンの有
無によって切り換えるのが望ましい）を設定し、その係
数ｋと隣接ビームの検出値との乗算値（ｋ・Ｓ_ON）を用
いて減算処理すれば、ノイズ成分を補償してＳ／Ｎ比を
向上でき、検出精度を十分に高めることができる。

【００３５】なお、本発明の電子ビーム走査装置は、電
子ビーム描画装置や電子ビーム検査装置だけでなく、平
面型表示装置など、他の様々な電子ビーム応用製品にも
適用できる。図８〜図１２は請求項５に記載の発明に係
る電子ビーム走査装置の一実施例を示す図であり、マト
リクス配列された９個の電子エミッタ部と各電子エミッ
タ部ごとの検出器（以下、便宜的に検出器１〜検出器９
とする）とを備える電子ビーム走査装置への適用例であ
る。

【００３６】図８において、Ｐ₁ 〜Ｐ₉ は、各検出器１
〜９から出力される検出信号であり、これらの検出信号
Ｐ₁ 〜Ｐ₉ は、検出器と同数の信号処理回路１００₁ 〜
１００₉ に入力され、各信号処理回路で所要の処理を受
けた後、反射電子または２次電子の飛び込みに起因する
ノイズ成分が取り除かれた真の信号Ｓ₁ 〜Ｓ₉ として出
力される。

【００３７】信号処理回路（代表として１００₅ ）は、
検出器と同数の乗算器１０１_i （ｉは１、２、……、
９；以下同様）と、各乗算器１０１_i の出力の総和を求
める加算器１０２とを備え、加算器１０２の出力を真の
信号Ｓ_i として出力するものである。ここで、乗算器１
０１₁ はＰ₁ に所定の係数Ｍ_A1を掛けた値、すなわちＰ
₁ ×Ｍ_A1を出力する。同様に、乗算器１０１₂ はＰ₂ ×
Ｍ_A2を出力し、乗算器１０１ ₃ はＰ₃ ×Ｍ_A3を出力し、
……、乗算器１０１₉ はＰ₉ ×Ｍ_A9を出力する。係数Ｍ
_A1、Ｍ_A2、……、Ｍ_A9の「Ａ」は真の信号を得ようとす
る１つの検出器（以下、着目検出器）の便宜上の識別符
号であり、例えば、代表の信号処理回路１００ ₅ では、
着目検出器が検出器５であるので、Ａ＝５となる。ま
た、Ａに続く数字はその着目検出器を含む各検出器の識
別符号である。

【００３８】係数Ｍ_Aiは、着目検出器Ａに対するそれ以
外の検出器ｉからの反射電子または２次電子の飛び込み
度合を表すもので、検出器Ａ、検出器ｉ及び試料の空間
的な位置関係から割り出されたものである。ここで、検
査点から放出される反射電子または２次電子の量は、概
ね検査点を照射する１次ビームの軸と該検査点から検出
器までを結ぶ直線とのなす角度θの余弦ｃｏｓθに比例
し、また、検出器に到達する反射電子または２次電子の
量は、検査点から検出器を見込む立体角Θに比例するた
め、検出器間の距離に対応して、 ｋ_i ≒ｃｏｓθ×（Θ_i ／Θ₀ ）≒ｃｏｓθ×ｃｏｓ³ θ ＝｛１＋（ａＤ／Ｌ）² ｝^-2 ……（１２） なる比例係数が与えられる。この係数ｋ_i は、ａを１、
√２、２、√５または２√２の５種類とし、また、隣接
する検出器間の距離Ｄと検出器−試料間の距離Ｌとが等
しいとすれば、 ｋ₁ ＝１／４ ｋ₂ ＝１／９ ｋ₃ ＝１／２５ ｋ₄ ＝１／３６ ｋ₅ ＝１／８１ となる。

【００３９】次式（１３）は、上記の係数ｋ_i を使用
し、真の信号Ｓ_i を未知変数とする連立一次方程式であ
る。 この連立一次方程式を解く、すなわち、次式（１４）に
示すように、行列［ｋ _i ］の逆行列を上式（１３）の両
辺に左からかけることにより、検出信号Ｐ_i から真の信
号Ｓ_i を求めることができる。 但し、［Ｍ_mn］＝［ｋ_i ］^-1 すなわち、図８の各信号処理回路１００_i は、Ｐ_i に行
列［ｋ_i ］の逆行列［Ｍ_mn］を乗算してその総和を求め
るもので、例えば、着目検出器Ａに対応する信号処理回
路１００_A は、Ｐ₁ ×Ｍ_A1＋Ｐ₂ ×Ｍ_A2＋……Ｐ₉ ×Ｍ
_A9を真の信号Ｓ _A として出力するものである。逆行列
［Ｍ_mn］の各要素Ｍ_A1〜Ｍ_A9の値は、マトリクス配列さ
れた９個の検出器の中央に位置する検出器５を着目検出
器Ａとすると、コーナに位置する４つの検出器１、３、
７、９に対して割り当てられる要素（Ｍ_A1、Ｍ_A3、
Ｍ_A7、Ｍ_A9）の値は約−０．００２となり、また、それ
以外の４つの検出器２、４、６、８に割り当てられる要
素（Ｍ_A2、Ｍ_A4、Ｍ_A6、Ｍ_A8）の値は約−０．２４６と
なる。さらに、着目検出器それ自身に割り当てられる要
素（Ｍ_A5）の値は約１．２４７となる。

【００４０】図９は信号処理回路１００５ の具体的な
回路図である。この例では、検出信号Ｐ１ 、Ｐ２ 、
Ｐ３ 、Ｐ４ 、ＰＡ （＝Ｐ５ ）、Ｐ６ 、Ｐ７
、Ｐ８ 、Ｐ９ のそれぞれに可変抵抗Ｒ１ 、Ｒ２
、Ｒ３ 、Ｒ４ 、ＲＡ （＝Ｒ５ ）、Ｒ６ 、Ｒ
７ 、Ｒ８ 、Ｒ９ を設け、着目検出器Ａからの検出
信号ＰＡ 以外の検出信号を各可変抵抗を介してオペア
ンプＯＰ１ の反転入力（−入力）に与えると共に、着
目検出器Ａからの検出信号ＰＡ を可変抵抗を介してオ
ペアンプＯＰ１ の非反転入力（＋入力）に与える。

【００４１】オペアンプＯＰ₁ は、着目検出器Ａからの
検出信号Ｐ_A をＲ_A ／Ｒｓ倍（≒１．２４７）に非反転
増幅すると共に、検出信号Ｐ_A 以外の各検出信号Ｐ₁ 〜
Ｐ₄、Ｐ₆ 〜Ｐ₉ をそれぞれの可変抵抗Ｒ₁ 〜Ｒ₄ 、Ｒ
₆ 〜Ｒ₉ の値Ｒ_i とフィードバック抵抗Ｒｆの比（Ｒ_i
／Ｒｆ）倍に反転増幅するもので、非反転増幅と反転増
幅の差に相当するレベルを真の信号Ｓ_A のレベルとして
出力するものである。ここで、ｉ＝１、３、７、９のＲ
_i ／Ｒｆは約０．００２であり、また、ｉ＝２、４、
６、８のＲ_i ／Ｒｆは約０．２４６である。

【００４２】ここに、着目検出器Ａ以外の８個の検出器
ｉの真の信号Ｓｉ が取り得る値の組み合せは２８ ＝
２５６通りである。図１０は、着目検出器Ａの真の信号
ＳＡがパターン無しのレベル（ＳＯＦＦ ＝０．２）ま
たはパターン有のレベル（ＳＯＮ＝１．０）となるとき
の、２５６通りの組み合せの分布を調べたものである。
もし、ｋ１ 〜ｋ５ が０、すなわち回りの信号が全く
影響しなければ、ＳＡ は常にＰＡ と等値である。例
えば、図１０の中で信号ＳＡ の値がＳＯＦＦ のとき
「検出値ＰＡ 出現分布」の「ＳＯＦＦ 」列は、２５
６通りの組み合せについてＰＡ ＝ＳＯＦＦ であるか
ら、ＰＡを値域幅０．２で区別するならば、「検出値等
の範囲」が「０．１０〜０．３０」の中に全ての組み合
せが入ることになる。

【００４３】しかし、実際には、ｋ１ 〜ｋ５ は０以
外の値であるから、検出値ＰＡ は信号の組合せごとに
ある範囲に分散することになり、このため「検出値ＰＡ
出現分布」の列に見られるように、ＰＡ が１．１０
〜１．７０の範囲にあるときには、真の信号ＳＡ のＳ
ＯＦＦ 、ＳＯＮの区別ができない組み合せが、７１＋
３０＋５＝１０６通りも出現してしまう。

【００４４】これに対し、処理Ａは、前述の実施例（請
求項４に記載の発明に係る電子ビーム走査装置の一実施
例）の手法を適用したものであるが、この処理Ａによっ
ても、Ｐ_A が−０．３０〜０．１０の範囲にあるときに
は、真の信号Ｓ_A のＳ_OFF 、Ｓ_ONの区別ができない組み
合せが、最大で１５８＋５＝１６３通りも出現する。処
理Ｂは、本実施例の手法によるもので、これによればＰ
_A の０．１０〜０．３０の範囲内にＳ_OFF の全ての組合
せが入り、また、Ｐ_A の０．９０〜１．１０の範囲内に
Ｓ_ONの全ての組合せが入っている。すなわち、２５６通
りの組み合せのうち、Ｓ_OFF とＳ_ONを区別できないもの
は皆無であり、回りの信号の影響を完全に排除して誤検
出を完全に回避することができる。

【００４５】なお、真の信号Ｓ_A を２値的に判別するな
らば、逆行列［Ｍ_mn］の各要素Ｍ_mnに近似値を用いても
よい。図１０の「近似的な処理」は、適当な近似値を用
いた場合の処理結果であり、Ｓ_OFF とＳ_ONが完全に区別
されている。図１１は、信号処理回路の他の構成図であ
り、この例では、それぞれの検出信号をＡ／Ｄ変換器１
０３₁ 〜１０３₉ で量子化した後、乗算処理部１０４₁
〜１０４₉ や加算処理部１０５で必要な演算処理を行っ
ている。乗算処理部や加算処理部は、プロセッサ等によ
りソフト的に実現してもよい。

【００４６】図１２は近似処理を行うようにした信号処
理回路のブロック図である。この例では、逆行列
［Ｍ_mn］の各要素Ｍ_mnを、２の巾の組み合せによって近
似し、さらに２の巾の乗算をビットシフト操作で簡単化
している。すなわち、図１２において、１０６₁ 〜１０
６₅ はＡ／Ｄ変換器、１０７は第１加算器、１０８は第
２加算器、１０９は極性変換器、１１０は第１ビットシ
フト器、１１１は第２ビットシフト器である。

【００４７】極性変換器１０９と第２ビットシフト器１
１１によって−１−２−２（これは１．２４７の反対符
号での近似値−１．２５に相当する）を発生し、これを
ＰＡに適用する。また、第１ビットシフト器１１０によ
って２−２（これは−０．２４６の反対符号での近似値
０．２５に相当する）を発生し、これをＰ２ 、Ｐ４
、Ｐ６ 、Ｐ８ に適用する。なお、−０．００２は
０で近似する。このようにすると、計算を簡略化して処
理速度を向上できるメリットがある。

【００４８】図１３〜図１８は請求項６または請求項７
に記載の発明に係る電子ビーム走査装置の一実施例を示
す図であり、検出器と試料の間に形成した電界によって
反射電子または２次電子の軌道を修正し、隣接する検出
器への飛び込みを回避するようにしたものである。図１
３において、１３０は１次ビーム、１３１は試料、１３
２は検出器（または鏡筒）である。試料１３１の電位Ｖ
₂ は接地電位（０Ｖ）であり、１次ビーム１３０の照射
点から放出された反射電子または２次電子の軌道は、符
号１３３で示すように直線を描くため、この直線１３３
上に位置する検出器への反射電子または２次電子の飛び
込みを引き起こす。

【００４９】そこで、本実施例では、検出器（または鏡
筒）１３２の電位Ｖ₁ を試料電位Ｖ ₂ よりも正側に高い
例えば＋３ＫＶに設定する。これによれば、検出器（ま
たは鏡筒）１３２から試料１３１に向かう一様な電界１
３４を発生でき、この電界１３４の働きによって反射電
子または２次電子の軌道を符号１３５に示すような放物
線へと変化させることができる。すなわち、１次ビーム
１３０の照射点Ｏから放出された反射電子または２次電
子に、同１次ビーム１３０直近の検出器１３２方向への
指向性を持たせることができ、隣接する検出器への飛び
込みを効果的に防止することができる。

【００５０】ここで、照射点Ｏからある角度θをもって
放出された反射電子または２次電子の描く放物線軌道の
方程式は、次式（２０）で与えられる。 ｚ＝（Ａ／Ｃ² ）ｒ² ＋（Ｂ／Ｃ）ｒ ……（２０） 但し、Ｃはｖ_ro＝Ｖ_o ｓｉｎθ Ｂはｖ_zo＝Ｖ_o ｃｏｓθ Ａは−１／２（ｅＥ_z ／ｍ_e ） ｅは電子の素電荷 ｍ_e は質量 Ｖ_o は反射電子または２次電子の初速度 （Ｖ_o ＝√Ｖ；但しＶ＝２ｅφ／ｍ） φはビームエネルギー Ｅ_z は試料−検出器間の電界（＝（Ｖ₂ −Ｖ₁ ）／ｄ） ｄは試料−検出器間の距離 図１３の電界１３４は、反射電子または２次電子に対し
ては加速電界として働き、１次ビーム１３０に対しては
減速電界として働く。今、５ＫｅＶのエネルギーもつ１
次ビーム１３０が試料面１３１で５００ｅＶに減速され
た場合（これはＶ₂ ＝０Ｖ、Ｖ₁ ＝４．５ＫＶに相当す
る）、試料面１３１からは５００ｅＶの初速度をもつ反
射電子が発生する。すなわち、反射電子の初速度（エネ
ルギー）は、１次ビーム１３０のビームエネルギーによ
る影響を受ける。これに対して、２次電子のエネルギー
は、図１４に示すように、１次ビーム１３０のビームエ
ネルギーに拘らずほぼ５０ｅＶ以下のエネルギー分布を
持っている。

【００５１】図１５は、試料−検出期間の距離ｄを例え
ば１０ｍｍとした場合の反射電子または２次電子の放物
線軌道を示すグラフである。但し、反射電子または２次
電子の放出角度分布はｃｏｓ分布である。図１５におい
て、曲線Ｌａ、Ｌｂは検出器面での電流密度分布を任意
の単位で併記したものである。この曲線Ｌａ、Ｌｂから
理解されるように、反射電子または２次電子の放出点Ｏ
からの離隔距離Ｒが反射電子でおよそ７ｍｍ、２次電子
でおよそ２ｍｍ以上あれば、電流密度がほとんどゼロと
なるから、当該離隔距離Ｒを満足する限り、反射電子ま
たは２次電子の隣接検出器への飛び込みを完全に排除で
きる。

【００５２】なお、図１３の電界１３４は１次ビーム１
３０に対しては減速電界として作用するが、これは、試
料１３１へのダメージを抑えることができる点、さら
に、非導電性の試料などの帯電を防止して解像度劣化を
回避できる点などを考慮すると好ましい作用である。実
際には、試料に適応した試料面エネルギー（Ｖ₂ ）を選
択すると共に、隣接検出器への飛び込みが回避されるよ
うな適当な検出器（または鏡筒）の電位（Ｖ₁ ）を選択
すればよい。

【００５３】なお、図１３の電界１３４により、１次ビ
ーム１３０自身の解像度劣化が心配されるが、文献〔"H
igh-resolution, low-energy beams by means of mirro
r optics" E. Munro et al. J. Vac. Sci. Tech B6
(6) 1971 (1988)〕によれば、ビームサイズを支配する
各収差係数は、減速電界によってほぼ√Ｆ；Ｆ＝Ｖ_i ／
Ｖ_o （Ｖ_i は試料面でのビームエネルギー、Ｖ_o は１次
ビームのエネルギー）の係数がかかり、Ｖ_i ＜Ｖ_o であ
るから、収差係数はむしろ小さくなる結果、光学系の設
計次第でサブミクロンのビームサイズを得ることは充分
に可能であると記載されている。

【００５４】図１６は本実施例の要部断面概念図であ
る。１４０、１４１は１次ビーム、１４２は１次ビーム
１４０からの反射電子（または２次電子）１４３を検出
する検出器、１４４は１次ビーム１４１からの反射電子
（または２次電子）１４５を検出する検出器、１４６は
試料である。試料１４６の電位Ｖ₂ （０Ｖ）に対して正
側の電位Ｖ₁ （例えば＋３ＫＶ）を検出器１４２、１４
４に与える。なお、電位Ｖ₁ は検出器１４２、１４４の
直近の鏡筒に与えてもよい。

【００５５】図１７は、本実施例のシステム構成図であ
り、１５０は複数の１次ビームを同時に発生する電子
銃、１５１は電子銃電源部（すなわち加速電源部）、１
５２は加速電源調整部、１５３は各種の電子光学系や検
出器及び試料等を含む鏡筒部、１５４は偏向用電圧を発
生する偏向電源部、１５５はレンズ電源部、１５６は検
出器からの信号を処理する信号処理部、１５７は減速用
電源部、１５８は制御部である。減速用電源部１５７で
所定の電位（例えば＋３ＫＶ）を持つ電圧を作り、この
電圧を鏡筒部１５３内の検出器に与える。

【００５６】図１８（ａ）は、本実施例における各部の
電位関係図である。この図において、Ｖｅは微細電極１
６０とゲート１６１間の電位を決定する電源、Ｖａはゲ
ート１６１とグランド（すなわち試料１６６）間の電位
を決定する電源、Ｖｌは収束電極１６４と鏡筒間の電位
を決定する電源、Ｖｄは偏向電極１６３と鏡筒間の電位
を決定する電源、Ｖｒは検出器１６５（若しくは鏡筒）
とグランド（すなわち試料１６６）間の電位を決定する
電源である。電源Ｖｒによって検出器と試料の間に所定
の電界を形成し、この電界により反射電子または２次電
子の軌道を修正して隣接する検出器への飛び込みを回避
する。

【００５７】以上の例では、検出器（若しくは鏡筒）と
試料間に電界を発生のために、検出器（若しくは鏡筒）
に正の電位を与えているが、試料に負の電位を与えるよ
うにしても同様の効果を得ることができる。例えば、図
１７において、減速用電源部からの負電位を、鏡筒部内
の試料支持ステージ（図示略）に与えればよい。因み
に、負電位を与えるようにした場合の電位関係図は、図
１８（ｂ）のようになる。

【００５８】

【発明の効果】本発明によれば、隣接する描画領域から
の反射電子の飛び込みを積極的に回避でき、あるいは、
信号処理によって飛び込みに起因するＳ／Ｎ比の悪化を
補償でき、検出精度を十分に高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１に記載の発明の一実施例の概念図、穴
開きマスクの平面図及び穴開きマスクの位置を特定する
ためのグラフである。

【図２】請求項２に記載の発明の一実施例の概念図であ
る。

【図３】請求項３に記載の発明の一実施例の概念図であ
る。

【図４】請求項４に記載の発明の一実施例の検出器配置
図である。

【図５】請求項４に記載の発明の一実施例の概念図であ
る。

【図６】請求項４に記載の発明の信号処理部の構成図で
ある。

【図７】請求項４に記載の発明のパターン有無の場合の
検出信号図である。

【図８】請求項５に記載の発明の一実施例の信号処理回
路のブロック図である。

【図９】請求項５に記載の発明の一実施例の信号処理回
路の構成図である。

【図１０】請求項５に記載の発明の一実施例の信号分布
図である。

【図１１】請求項５に記載の発明の一実施例の信号処理
回路の他の構成図である。

【図１２】請求項５に記載の発明の一実施例の近似処理
を行うようにした信号処理回路のブロック図である。

【図１３】請求項６に記載の発明に係る電子ビーム走査
装置の概念図である。

【図１４】反射電子と２次電子のエネルギー分布図であ
る。

【図１５】反射電子または２次電子の放物線軌道を示す
グラフである。

【図１６】請求項６に記載の発明に係る電子ビーム走査
装置の要部断面概念図である。

【図１７】請求項６に記載の発明に係る電子ビーム走査
装置のシステム構成図である。

【図１８】請求項６に記載の発明に係る電子ビーム走査
装置の各部の電位関係図である。

【図１９】従来例の要部断面図及び電子エミッタ部の要
部外観図である。

【符号の説明】

２ａ：微細電極 ２ｂ：ゲート ３：電子エミッタ部 ５：収束電極 ６：偏向電極 １０、１１：電子ビーム １２：試料 １３、１４：検出器 １６、１７、１８：反射電子または２次電子 １５：穴開きマスク ２２：細管の束 ４３：電源（磁界発生手段） ６０：信号処理部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−48975（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−76837（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−184524（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−19126（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−269007（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−269525（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−248517（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027 G01B 15/00 G01R 31/302 H01J 37/305

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】先端が鋭く尖った微細電極と該微細電極の
   先端部を取り囲むようにして配置されたゲートとをペア
   にしてマトリクス状に配列する多数の電子エミッタ部
   と、 前記電子エミッタ部ごとの収束電極、偏向電極及び検出
   器とを備え、 各電子エミッタ部からの電子ビームを平行且つ同時に引
   出して試料表面に照射し、 試料表面からの反射電子または２次電子を電子ビームご
   とに前記検出器の検知面で捕捉し、 該捕捉反射電子の量または捕捉２次電子の量に基づいて
   試料表面の状態を検査する電子ビーム走査装置におい
   て、 前記試料表面と検知面との間であって、且つ、前記試料
   表面から検知面までの距離と検知面のサイズとから割り
   出される所定位置に、 電子ビームの軸と開口中心が一致する所定内径の穴開き
   マスクを配置したことを特徴とする電子ビーム走査装
   置。
2. 【請求項２】先端が鋭く尖った微細電極と該微細電極の
   先端部を取り囲むようにして配置されたゲートとをペア
   にしてマトリクス状に配列する多数の電子エミッタ部
   と、 前記電子エミッタ部ごとの収束電極、偏向電極及び検出
   器とを備え、 各電子エミッタ部からの電子ビームを平行且つ同時に引
   出して試料表面に照射し、 試料表面からの反射電子または２次電子を電子ビームご
   とに前記検出器の検知面で捕捉し、 該捕捉反射電子の量または捕捉２次電子の量に基づいて
   試料表面の状態を検査する電子ビーム走査装置におい
   て、 所定の長さを有する多数の細管の束を、該細管の長手方
   向が前記電子ビームの軸と平行するように配置したこと
   を特徴とする電子ビーム走査装置。
3. 【請求項３】先端が鋭く尖った微細電極と該微細電極の
   先端部を取り囲むようにして配置されたゲートとをペア
   にしてマトリクス状に配列する多数の電子エミッタ部
   と、 前記電子エミッタ部ごとの収束電極、偏向電極及び検出
   器とを備え、 各電子エミッタ部からの電子ビームを平行且つ同時に引
   出して試料表面に照射し、 試料表面からの反射電子または２次電子を電子ビームご
   とに前記検出器の検知面で捕捉し、 該捕捉反射電子の量または捕捉２次電子の量に基づいて
   試料表面の状態を検査する電子ビーム走査装置におい
   て、 前記検出器を収束電極及び偏向電極と電子エミッタ部の
   間に配置したことを特徴とする電子ビーム走査装置。
4. 【請求項４】先端が鋭く尖った微細電極と該微細電極の
   先端部を取り囲むようにして配置されたゲートとをペア
   にしてマトリクス状に配列する多数の電子エミッタ部
   と、 前記電子エミッタ部ごとの収束電極、偏向電極及び検出
   器とを備え、 各電子エミッタ部からの電子ビームを平行且つ同時に引
   出して試料表面に照射し、 試料表面からの反射電子または２次電子を電子ビームご
   とに前記検出器の検知面で捕捉し、 該捕捉反射電子の量または捕捉２次電子の量に基づいて
   試料表面の状態を検査する電子ビーム走査装置におい
   て、 前記１つの検出器の周囲に位置する複数の検出器からの
   各信号に所定の係数を乗じた値を、該１つの検出器の検
   出値から減算することを特徴とする電子ビーム走査装
   置。
5. 【請求項５】１つの電子ビームが照射する試料表面から
   の反射電子または２次電子の空間的分布に基づいて、１
   つの検出器と他の全ての検出器とに飛び込む反射電子量
   または２次電子量を係数化し、 全ての検出器からの各信号と該係数とを用いて１つの検
   出器からの信号の真の値または該真の値に近似する値を
   求めることを特徴とする請求項４記載の電子ビーム走査
   装置。
6. 【請求項６】前記検出器に、試料電位に対して正の電位
   を与えることを特徴とする請求項１、２、３、４または
   ５記載の電子ビーム走査装置。
7. 【請求項７】前記試料に、検出器若しくは鏡筒に対して
   負の電位を与えることを特徴とする請求項１、２、３、
   ４または５記載の電子ビーム走査装置。