JP3774953B2

JP3774953B2 - Scanning electron microscope

Info

Publication number: JP3774953B2
Application number: JP27583796A
Authority: JP
Inventors: 秀男戸所; 真江角
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-10-19
Filing date: 1996-10-18
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2016-10-18
Also published as: JPH09171791A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、検査する試料表面に電子ビームを走査することで試料表面の形状あるいは組成等を表す二次元の走査像を得る走査形電子顕微鏡に関し、特に低加速電圧領域で分解能の高い走査像を得るのに好適な走査形電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査形電子顕微鏡は、加熱形又は電界放出形の電子源から放出された電子を加速し、静電又は磁界レンズで細い電子ビーム（一次電子ビーム）とし、この一次電子ビームを走査偏向器を用いて観察する試料上に走査し、一次電子ビーム照射で試料から二次的に発生する二次電子又は反射電子等の二次信号を検出し、検出信号強度を一次電子ビーム走査と同期して走査されているブラウン管の輝度変調入力とすることで二次元の走査像を得る。一般の走査形電子顕微鏡では、負電位を印加した電子源と接地電位にある陽極間で電子源から放出された電子を加速し、接地電位にある検査試料に電子ビームを走査している。
【０００３】
走査形電子顕微鏡が半導体素子製作のプロセス又は完成後の検査（例えば電子ビームによる寸法測定や電気的動作の検査）に使われるようになった結果、絶縁物を帯電なしに観察できる１０００ボルト以下の低加速電圧で１０ｎｍ以下の高分解能が要求されるようになってきた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
低加速電圧領域で高分解能化を阻害している要因は、電子源から放出される電子ビームのエネルギーのバラツキを原因とする色収差による電子ビームのぼけである。低加速電圧の走査形電子顕微鏡では、この色収差によるぼけを小さくするため、放出される電子ビームのエネルギーのバラツキの小さい電界放出形の電子源が主に用いられている。しかし、電界放出形の電子源をもってしても、５００ボルトでの空間分解能は１０〜１５ｎｍが限界で、ユーザの要求を満たせないものとなっている。
【０００５】
この問題の解決策として、電子源と接地電位にある陽極間での一次電子ビームの加速は最終の加速電圧より高い電圧値に設定し、接地電位にある対物レンズと負電位を印加された検査試料の間で一次電子を減速することで最終の低加速電圧へ設定する方法がある（参照：アイ・トリプルイー，第９回アニュアルシンポジュウムオンエレクトロンイオンアンドレーザテクノロジーのプロシーデング，１７６〜１８６頁，IEEE ９th Annual Symposium on Electron, Ion and Laser Technology）。
【０００６】
この方法の効果はすでに実験で確認されているが、試料に高電圧が印加されているため、二次電子が減速電界で鏡体内に引き込まれ検出することが困難であること、絶縁性の高い試料ステージを必要とすることから、市販装置に採用された例はほとんどない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述した課題に対するブレイクスルーを提供するものである。本発明では、対物レンズと試料との間に印加された電界で対物レンズの開口内に吸引された二次電子又は反射電子等の二次信号を対物レンズを通過した後に検出する手段を設けることで二次信号検出の問題を解決し、また、対物レンズ通路に後段加速手段を設けることで試料に印加する負電位を実用可能な値にまで低下させ、市販装置に採用できる構造としたものである。
【０００８】
すなわち、本発明は、電子源と、電子源から発生した一次電子ビームを試料上に走査する走査偏向器と、一次電子ビームを収束する対物レンズと、一次電子ビームの照射により試料から発生する二次信号を検出する二次信号検出器とを含み、試料の二次元走査像を得る走査形電子顕微鏡において、対物レンズの電子ビーム通路に配置された加速円筒と、加速円筒に一次電子ビームの後段加速電圧を印加する手段と、加速円筒と試料の間に一次電子ビームに対する減速電界を形成する手段とを備え、二次信号検出器を加速円筒より電子源側の位置に配置したことを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、二次電子又は反射電子の検出が困難であった問題，試料に電圧が高い電位が印加されることに起因する取扱いの問題を解決することができ、低加速電圧の領域において色収差を軽減した走査形電子顕微鏡を実現することができる。
【００１０】
二次信号検出器は、一次電子ビームを通過させる開口を有する導電性の反射板と、前記反射板で発生した二次電子を吸引する吸引手段と、吸引した二次電子を検出する検出手段を含むことができる。吸引手段は電界とこれに直交する磁界で作り、電界による一次電子ビームの偏向を磁界によって打ち消すようにすることができる。この方式の二次信号検出法は、加速円筒を設けない場合、又は加速円筒を０Ｖ（接地電位）とした場合にも適用可能である。
【００１１】
二次信号検出器は、一次電子ビームを通過させる開口を有するマルチチャンネルプレートで構成してもよいし、一次電子ビームを通過させる開口を有する蛍光体と螢光体の発光を検出する光検出器で構成してもよい。
【００１２】
二次信号検出器の設置場所は、加速円筒と走査偏向器の間、走査偏向器と電子源の間のいずれか一方又はその両方とすることができる。２箇所に二次信号検出器を設けた場合には、そのいずれか一方の検出信号を用いて走査像を形成することもできるし、２つの検出器の検出信号を演算して走査像を形成することもできる。いずれの方法によって走査像を形成するかは、走査像倍率又は予め与えられた観察条件に応じて自動的に選択するようにしてもよい。この２個の二次信号検出器を用いる方式も、加速円筒が設けられていない場合、又は加速円筒を０Ｖ（接地電位）とした場合に適用可能である。
【００１３】
一次電子ビームの走査偏向器は、静電偏向と磁界偏向を組合せることで、一次電子ビームに対しては所望の偏向を与えるが試料側から吸引された二次信号に対しては偏向を与えないようにすることができる。この静電偏向と磁界偏向を組合せる偏向方法は、加速円筒が設けられていない場合にも適用できる。
【００１４】
加速円筒に印加する後段加速電圧と電子源に印加する電子銃電圧の比、及び試料に印加する電圧と電子源に印加する電子銃電圧の比を一定に保ちながら後段加速電圧及び試料印加電圧を制御すると、試料から発生した二次信号のクロスオーバー点を一定位置に維持することが可能である。
【００１５】
対物レンズの磁界が作るレンズ中心と、加速円筒と試料の間に形成される静電レンズのレンズ中心を一致させることで、減速電界によって形成される静電レンズ作用による走査像の歪をなくすことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による走査形電子顕微鏡の実施例の概略図である。電界放出陰極１と引出電極２との間に引出電圧３を印加すると、放出電子４が放出される。放出電子４は、引出電極２と接地電位にある陽極５の間でさらに加速（減速の場合もある）される。陽極５を通過した電子ビームのエネルギー（加速電圧）は電子銃加速電圧６と一致する。本発明では、この陽極５を通過した一次電子ビーム７を、さらに対物レンズ８を貫通して設けられた加速円筒９で後段加速する。対物レンズ８内を通過するときの電子ビームのエネルギーは、電子銃加速電圧６と加速円筒９に印加される後段加速電圧１０の和になる。この後段加速された一次電子ビーム１１を試料１２に印加した負の重畳電圧１３で減速し、所望の加速電圧にする。この方法の実質の加速電圧は後段加速電圧１０に関係なく、電子銃加速電圧６と重畳電圧１３の差になる。
【００１８】
陽極５を通過した一次電子ビーム７はコンデンサレンズ１４，上走査偏向器１５，下走査偏向器１６で走査偏向を受けた後、対物レンズ８の通路に設けられた加速円筒９でさらに後段加速電圧１０の加速を受ける。後段加速された一次電子ビーム１１は、対物レンズ８で試料１２上に細く絞られる。対物レンズ８を通過した一次電子ビーム１１は、対物レンズ８と試料１２間に作られた減速電界１７で減速され、試料１２に到達する。
【００１９】
この構成によれば、対物レンズ８を通過するときの一次電子の加速電圧は、最終的な加速電圧よりも高くなっている。この結果、最終的な加速電圧の一次電子ビームを対物レンズ８に通す場合に比較すると、対物レンズでの色収差が減少し、より細い電子ビーム（高分解能）が得られる。対物レンズ８の一次電子ビームの開き角は、コンデンサレンズ１４の下方に置かれた絞り１８で決められる。絞り１８のセンタリングは調整つまみ１９で行う。図では機械的な調節を行っているが、絞り１８の前後に静電又は磁界偏向器を設け、電子ビームを偏向させて調整してもよい。
【００２０】
対物レンズ８で細く絞られた電子ビームは上走査偏向器１５と下走査偏向器１６で試料１２上を走査されるが、このとき上走査偏向器１５と下走査偏向器１６の偏向方向と強度は、走査した電子ビームが常に対物レンズ８の中央を通るように調整されている。試料１２は重畳電圧１３が印加された試料ホルダ２０の上に固定されている。試料ホルダ２０は絶縁台２１を介して試料ステージ２２に載せられ、水平位置の調整が可能になっている。
【００２１】
一次電子ビーム１１が試料１２を照射することで二次電子２３が発生する。対物レンズ８と試料１２間に作られた減速電界１７は二次電子２３に対しては加速電界として働くため、対物レンズ８の通路内に吸引され、対物レンズ８の磁界でレンズ作用を受けながら昇っていく。対物レンズ８内を通過した二次電子２３は対物レンズ８と下走査偏向器１６の間に置かれた吸引電極２４の横方向電界で吸引され、吸引電極２４のメッシュを透過した後、１０ｋＶ（正電位）が印加されたシンチレータ２５で加速され、シンチレータ２５を光らせる。発光した光はライトガイド２６で光電子増倍管２７に導かれ電気信号に変換される。光電子増倍管２７の出力はさらに増幅され、ブラウン管（図示せず）の輝度変調入力になる。
【００２２】
この構成の特徴は、コンデンサレンズ１４，絞り１８，対物レンズ８を通過するときの電子ビームの加速電圧は最終のエネルギーよりも高いことであり、特に色収差を支配する対物レンズ８を通過するときは更に後段加速が加わっていることである。典型的な例では、電子銃加速電圧：１０００ボルト，後段加速電圧：１０００ボルト，試料１２への負の重畳電圧：５００ボルトで、実質の加速電圧：５００ボルトである。対物レンズ８を通過するときは２０００ボルトになっているため色収差は約５０％に減少し、加速電圧を５００ボルトとした場合には１５ｎｍであったビーム径（分解能）が、７ｎｍに改善される。
【００２３】
前述の実施例では、二次電子２３を吸引電極２４で電子通路外に取り出して検出していた。この方法は重畳電圧１３が高くなると二次電子２３のエネルギーが高くなるため、それに相応して吸引電極２４に与える電圧を高くする必要がある。その結果、一次電子ビーム（陽極５を通過した一次電子ビーム７）をも偏向してしまう問題が生じる。
【００２４】
図２に示す反射板を用いた実施例は、上述の問題を解決し、高効率の検出を可能にする。本実施例では、電子線通路に中央孔２８のある反射板２９を設ける。反射板は、金，銀，白金等、電子照射によって二次電子を発生しやすい材料が表面にコーティングされている。陽極５を通過した一次電子ビーム７は反射板２９の中央孔２８を通過した後、加速円筒９に入る。中央孔２８の径は、走査偏向器１５，１６で偏向した電子ビームが反射板２９に衝突しない大きさに設定される。試料１２で発生し重畳電圧１３で加速された二次電子２３は、対物レンズ８のレンズ作用で発散しながら加速円筒９を通過し、反射板２９の裏面に衝突する。二次電子と軌道は異なるが、試料１２で発生した反射電子も同様に反射板２９の裏面に衝突する。
【００２５】
反射板２９の裏面で作られた二次電子３０は吸引電極２４の電界で吸引され、図１と同様にシンチレータ２５，ライトガイド２６，光電子増幅管２７を経て電気信号に変換される。この方式の特長は、試料に印加する重畳電圧１３が高く二次電子２３の加速が高くなっても、検出しているのは加速を受けていない反射板２９で作られた二次電子３０であるため、吸引電極２４に与える電圧が低くてよいことである。そのため、吸引電極２４の発生する電界が陽極５を通過した一次電子ビーム７に与える影響を小さくすることができる。ここでは吸引された二次電子の検出にシンチレータ２５を用いたが、チャンネルプレートやマルチチャンネルプレート等の電子検出増幅器を用いてもよい。
【００２６】
図３は、反射板２９で作られた二次電子３０を吸引する電界Ｅと直交して磁界Ｂを印加した例である。この構造にすると、前述した吸引電界Ｅによる一次電子ビームの偏向を補正することができる。すなわち、陽極５を通過した一次電子ビーム７の偏向を磁界Ｂによる偏向で補正する。ここで３１′，３１″は吸引電界を作る電界偏向電極で、３１″は二次電子３０が透過できるようにメッシュになっている。３２′，３２″は直交磁場偏向コイルである（磁界Ｂを発生するコイル３２′，３２″は、図にはシンボリックに表示してある）。この直交磁場偏向コイル３２′，３２″が作る磁界Ｂは電界Ｅと直交し、磁界Ｂの強さは加速された電子ビーム７が受ける電界Ｅによる偏向を打ち消すように調整されている。この実施例では直交磁場偏向コイル３２を一組としているが、直交磁場偏向コイルを角度を持って配置された二組とすれば、各組のコイルに流す電流等を調整することによって電界との直交度を厳密に調整することができる。直交磁場偏向コイル３２を二組とする代わりに電界偏向電極を二組として電界の方向を調整しても、電界と磁界の直交度を厳密に調整することが可能であることは言うまでもない。
【００２７】
なお、図２及び図３に示した反射板２９を用いる二次信号検出法は、加速円筒９が設けられていない場合、あるいは加速円筒９を接地した場合にも有効に動作する。
【００２８】
図４は、二次信号検出器を上走査偏向器１５の上方に設けた実施例を示す。図では二次信号検出器が上走査偏向器１５と絞り１８の間に設けられている。図２と同様に反射板２９に中央孔２８が設けられているが、ここでは一次電子ビームはまだ走査偏向をされていないため、中央孔２８の大きさは最小一次電子ビームの開口角を制限する絞り１８と同じ径であっても良い。図の実施例では、絞り１８の下方に直径０.１mm の中央孔２８を持った反射板２９が設置されている。絞り１８と反射板２９を共用することも可能である。
【００２９】
反射板２９を走査偏向器の下方に設置した場合には、その中央孔２８の径は偏向した電子ビームが衝突しない大きさに設定されていた。中央孔２８の大きさを典型的な例で比較すると、下方に設置した場合は３〜４mmの大きさが必要であるが、上方に設置した場合には０.１mm 以下でよい。このように、反射板を走査偏向器の上方に設置すると反射板の中央孔を充分小さくできることから、二次電子の反射板による捕獲効率が向上する。
【００３０】
図４の実施例では、試料１２は対物レンズ８の磁極ギャップ内に置かれている。この配置は対物レンズ８の色収差係数を小さくするもので、より高分解能を追及する形状である。試料ステージ２２も対物レンズ８内に設けられる。
【００３１】
図５は、走査偏向器の上方と下方の両位置に二次信号検出器を設けた実施例である。上走査偏向器１５の上に上検出器３３が、下走査偏向器１６と加速円筒９の間に下検出器３４が設けられている。上検出器３３及び下検出器３４は、図３及び図４に示すように、それぞれ反射板２９ａ，２９ｂ，電界偏向電極３１ａ，３１ｂ，直交磁界偏向コイル３２ａ，３２ｂ，シンチレータ２５ａ，２５ｂ，ライトガイド２６ａ，２６ｂ，光電子増倍管２７ａ，２７ｂを備える。
【００３２】
この実施例では、下検出器３４の反射板２９ｂの中央孔２８ｂを通り抜けた二次電子又は反射電子を上検出器３３で検出することができる。上検出器３３で検出される二次信号は試料１２から垂直方向に出射した二次電子と反射電子を多く含むことから、下検出器３４とはコントラストの異なった像が得られる。例えば、半導体素子の製造プロセスにおけるコンタクトホールの検査において、下検出器３４を用いると周囲からコンタクトホールの部分を強調した像が得られ、上検出器３３を用いるとコンタクトホールの底部の精細な像が得られる。また、両検出器３３，３４の信号を演算することにより試料の特徴を強調したコントラストを作ることも可能である。
【００３３】
走査像を上下どちらの検出器の出力で作るかは、操作者の選択で行うこともできるが、予め決められた条件で自動的に選択するようにしても良い。例えば観察倍率が２０００倍以下では下検出器３４を選択し、それより高い倍率では上検出器３３を選択する。また、観察する試料によって選択するようにしても良い。この場合には、観察する試料の種類を装置に入力する等の手続きを行う。例えば、半導体素子のコンタクトホールの観察が入力された場合には、ホール内部を強調する上検出器３３を自動的に選択し、表面のレジストを観察する場合には下検出器３４を選択する。
【００３４】
なお、図４又は図５に示した実施例において、加速円筒９を除去、あるいは加速円筒９を接地しても、その効果は大きく、十分実用的である。
【００３５】
図６は、マルチチャンネルプレート検出器を用いて二次信号を検出する実施例である。マルチチャンネルプレート３５は円板状で、一次電子ビームを通す中央孔２８が設けられている。また、マルチチャンネルプレート３５の下方にはメッシュ３７が設けられ、接地されている。このような構成において、陽極５を通過した一次電子ビーム７はマイクロチャンネルプレートの中央孔２８を通過した後、対物レンズで収束されて試料に照射される。試料で発生した二次電子２３は、メッシュ３７を通過してチャンネルプレート３５に入射する。チャンネルプレート３５に入射した二次電子２３は、チャンネルプレート３５の両端に印加された増幅電圧３８で加速，増幅される。増幅された電子３９はアノード電圧４０でさらに加速されてアノード４１に捕獲される。捕獲された二次電子信号は増幅器４２で増幅された後、光変換回路４３で光信号４４に変換される。光信号４４に変換するのは、増幅器４２がチャンネルプレート本体３５の増幅電圧３８でフローテングになっているためである。光信号４４は接地電位の電気変換回路４５で再び電気信号に変換され、走査像の輝度変調信号として利用される。
【００３６】
ここで、アノード４１を２分割あるいは４分割として二次電子２３の放出方向の情報を得ることも可能である。この場合、増幅器４２，光変換回路４３，電気変換回路４５が分割に相当する数だけ必要であること、分割された信号を演算する信号処理が行われることはいうまでもない。
【００３７】
図７は、単結晶シンチレータを利用して二次信号を検出する実施例である。図７において単結晶シンチレータ４６は、例えば円柱状のＹＡＧ単結晶を斜めに切断し、その切断面に一次電子ビームを通過させるための開口部４７を設けたものであり、その先端部には金属又はカーボン等の導電性薄膜４８がコーティングされ、導電性薄膜４８は接地されている。試料１２から発生した二次電子２３がシンチレータ４６を照射することで発光した光は、斜め部分で反射し、円柱の部分が構成するライトガイドで光電子増倍管２７に導かれ検出，増幅される。なお、本実施例ではシンチレータ４６の発光部とライトガイドを共にＹＡＧ単結晶により構成するものとして説明したが、二次電子を検出する発光部のみをＹＡＧ単結晶あるいは螢光体とし、ライトガイドをガラスや樹脂などの透明体で構成するようにしても良い。
【００３８】
図７を用いて二次信号検出を効率的に行う制御法について述べる。二次信号（例えば二次電子）２３は対物レンズ８の磁場内を通過するためレンズ作用を受け、二次電子のクロスオーバ４９が作られる。もし、レンズ作用で二次電子がシンチレータ４６の開口４７に焦点を結ぶと、ほとんどの二次電子が開口４７を通過してしまい検出できなくなる。そこで焦点を反射板前後に結ぶように調整し、検出効率を上げている。実施例では、加速電圧（実質の加速電圧）を変えたときに二次電子の焦点位置を変化させないように、後段加速電圧、試料に印加する重畳電圧を制御している。
【００３９】
磁界レンズの焦点距離は、レンズコイルに流す電流をＩ、コイルの巻数をＮ、レンズ磁界を通過するときの電子の加速電圧をＶとして、変数Ｉ・Ｎ／Ｖ1/2 の関数である。一次電子がレンズ磁界を通過するときの加速電圧は、Ｖｏを電子銃加速電圧、Ｖｂを加速円筒に印加する後段加速電圧とするとき、(Ｖｏ＋Ｖｂ)である。試料位置（焦点距離）が一定であることから、Ｉ・Ｎ／(Ｖｏ＋Ｖｂ)1/2は常に一定値（＝ａ）になる。二次電子がレンズ磁界を通過するときの加速電圧は、試料に印加する重畳電圧をＶｒとするとき、（Ｖｒ＋Ｖｂ）で、変数Ｉ・Ｎ／Ｖ1/2は次式で表される。
【００４０】

この式から、Ｖｒ／Ｖｏ，Ｖｂ／Ｖｏ比を一定で制御すれば、二次電子の焦点位置は一定になる。すなわち、Ｖｒ／Ｖｏ，Ｖｂ／Ｖｏ比を一定として後段加速電圧Ｖｂ及び試料の重畳電圧Ｖｒを制御すれば、加速電圧（実質の加速電圧）に依存することなく二次電子の焦点位置を一定に制御できる。
【００４１】
図８は、試料面に印加される電界を制御する制御電極を付加した例である。対物レンズ８と試料１２の間に制御電極３６が設けられ、これに制御電圧５０が印加されている。この制御電極３６には電子ビームが通過する孔が開いている。この制御電極３６で、加速円筒９と試料１２の間で試料１２の表面に加わる電界強度を制御する。この構成は、試料に強い電界が印加されると不都合な場合に有効である。例えば、半導体集積回路の形成されたウェーハの強電界による素子破損の問題がある場合である。
【００４２】
またウェーハ周辺が酸化膜で覆われている場合の試料ホルダ２０との電気的非接触の問題に有効である。より具体的には試料（ウェーハ）の側面，裏面が絶縁体で覆われてしまうような場合、レターディングのための電気的な接続をすることが出来ない。また試料（ウェーハ）１２は、試料ホルダ２０と対物レンズ８の間で作られた電界中にあり、制御電極がない場合、試料ホルダ２０に印加した重畳電圧１３と接地電位にある対物レンズ８の中間の電位しか印加されないため、正常な観察が出来なくなるからである。
【００４３】
また制御電極３６の電位を重畳電圧１３が印加された試料ホルダ２０の電位と同電位あるいは試料ホルダ２０より数十ボルト正電位とすることで、素子の破損やウェーハが試料ホルダ２０の電位から浮いてしまうことを防ぐことができる。この場合、制御電極３６が常に試料（ウェーハ）を覆うような充分な大きさにする。
【００４４】
図９は制御電極を付加した場合の１例を示す図である。
【００４５】
試料（ウェーハ）１２の上方に一次電子線が通過する開口５９を持った制御電極６０を設け、該制御電極６０に試料ホルダ２０に印加する重畳電圧１３と同一の電圧を印加する。試料ホルダ２０と同一電位の制御電極６０を試料(ウェーハ)１２上に設置すると、ウェーハは同一電位の金属で囲まれることになり、該ウェーハは囲んでいる金属の電位と同電位になる。厳密には陽極５を通過した一次電子ビーム７を通す開口５９からの電界の侵入が金属の電位との誤差になる。この誤差は概略、試料（ウェーハ）１２の面積と開口５９の面積の割合である。例えばウェーハが８インチで開口５９の直径が１０mmであると、面積比は１／４００で電位の誤差は１％となり十分小さな値となる。
【００４６】
以上のような構成ではウェーハを囲んでいる金属が有する電位と、同じ電位をウェーハに印加することが可能となる。
【００４７】
これにより、表裏面が絶縁膜で覆われているようなウェーハであって、試料ステージなどと電気的な接続ができない場合であっても、レターディングのための電圧を印加することが可能となる。
【００４８】
尚、この実施の形態では試料ホルダ２０の内、少なくとも試料（ウェーハ）１２の下部に位置する部分を重畳電圧１３を印加するための導電体で形成することで、上述の如くウェーハは同一電位の金属で囲まれることになる。試料ホルダはそのものが導電体であっても良く、また試料ホルダ内に導電体を挿入しても良い。
【００４９】
図１０は制御電極を付加した場合の他の１例である。
【００５０】
試料（ウェーハ）１２と対物レンズ８との間に制御電極６０が設置され、該制御電極６０には試料ホルダ２０に印加される重畳電圧１３と同じ電圧が印加されている。これにより、試料（ウェーハ）１２は同一電圧の印加された試料ホルダ２０と制御電極６０で囲まれることになり、前述したように試料(ウェーハ)１２が絶縁膜で覆われていても、重畳電圧１３の電圧を試料（ウェーハ）に印加させることが出来る。
【００５１】
該制御電極６０の開口５９は通常は円形であるが、円形以外でも可能である。該開口５９の大きさは観察しようとする視野を妨げない大きさとする。この実施の態様では開口５９の大きさは直径４mmである。制御電極６０と試料(ウェーハ)１２との間隔が１mmなので、直径４mmの視野があることになる。また減速電界が開口５９を通して、ウェーハまで到達しているため、二次電子を効率よく対物レンズ８上に引き上げることが出来る。開口径を小さくした場合は、減速電界が試料（ウェーハ）１２に到達しないが、ウェーハを傾斜したり、試料に凹凸がある場合にはこのような条件の方がよく、非点収差の発生や視野ずれを低減することが出来る。
【００５２】
試料（ウェーハ）１２の任意の場所を観察するためにステージ２２が設けられている。ここでもし、試料（ウェーハ）１２の中心点から大きく外れたところを観察対象としたとき、試料（ウェーハ）１２を大きく移動させる必要がある。このとき試料（ウェーハ）１２が、制御電極６０から外れると、試料（ウェーハ）１２の電位が変化し、一定のレターディング電圧を印加することが出来なくなる。
【００５３】
この事態に対処するため、この実施の態様では試料（ウェーハ）１２の移動軌道に沿って制御電極を形成している。この構成によりステージ２２によって試料（ウェーハ）１２の位置が変化しても一定のレターディング電圧を印加でき、更に対物レンズ８と試料（ウェーハ）１２間に生ずる電界による素子破壊を防止できる。
【００５４】
また、この実施の態様ではウェーハの移動範囲以上の大きさを持つ制御電極を配置することが望ましい。具体的には８インチウェーハの全面を観察するための制御電極の直径は直径４００mmの大きさにする。このような構成によってウェーハを如何に移動させても、ウェーハに印加される電圧を一定に保つことができる。
【００５５】
なお、本実施例では制御電極を平板状の電極としたが、メッシュ状，多数の孔あるいはスリットが形成された形状のものとすることによって、真空排気性を向上させることもできる。この場合、孔径，スリット幅はウェーハと制御電極の間隔よりも小さいことが望ましい。
【００５６】
図１０では、一次電子６３ｃが制御電極６０の開口５９を通過し、試料（ウェーハ）１２に照射されると、二次電子６２が発生する。発生した二次電子６２は一次電子６３ｃに対する減速電界で逆に加速されて対物レンズ８の上方に導かれる。この際対物レンズ８の磁界によって、レンズ作用を受けるため図に示すように焦点を作りながら対物レンズ８上に導かれる。
【００５７】
導かれた二次電子６２は反射板２９に衝突し、二次電子３０を発生させる。この二次電子３０は対向して置かれた負電位の印加された偏向電極３１′と正電位の印加された偏向電極３１″の作る電界で偏向される。偏向電極３１″はメッシュで作られているので二次電子３０はメッシュを通過してシンチレータ２５で検出される。３２″，３２′は偏向コイルであり、偏向電極３１′，３１″の作る電界と直交した磁界を作り、偏向電極３１′，３１″の作る電界による一次電子線ビーム６３ｂの偏向作用を相殺している。
【００５８】
なお、図示していないが制御電極６４を冷却することで一次電子ビーム６３ｃを試料に走査することにより発生する汚染（コンタミネーション）を減少させることも可能である。
【００５９】
図１１は制御電極を付加した場合の更に他の１例である。
【００６０】
電界放射陰極１，引出電極２，陽極５，コンデンサレンズ１４，対物レンズ８，試料１２，試料ホルダ２０，絶縁台２１，試料ステージ２２等の構成要素は真空筐体６６に納められている。尚、真空排気系は図示を省略している。
【００６１】
ここで試料１２に負の重畳電圧が印加されている状態では、試料交換機構６７による試料交換作業や、真空筐体６６内を大気にすることを避けなければならない。換言すれば、電子ビームを試料１２上に走査させているときだけ重畳電圧１３を印加するようにすればよい。
【００６２】
そこでこの実施の態様では試料の装着・交換時の準備動作であるスイッチ６８が閉じて加速電圧６が印加されている第１の条件と、電界放射陰極１と試料１２の間に設けられたバルブ６９，バルブ７０の両者が開いている第２の条件と、試料交換機構６７が試料１２を試料ステージ２２に乗せるために通過するバルブ７１が閉じている第３の条件とが全て満たされたときのみ、スイッチ７２が閉じて試料１２に重畳電圧１３が印加される制御が行われている。
【００６３】
また、試料ホルダ２０と試料ステージ２２は放電抵抗７３を介して電気的に接続されており、スイッチ７２が開放されると試料１２にチャージされた電荷は試料ホルダ２０，放電抵抗７３，試料ステージ２２（試料ステージ２２は接地されている）を介して一定の時定数のもとに速やかに放電され、試料１２の電位が下がるようになっている。放電抵抗は重畳電圧１３の電源に内蔵しても良い。
【００６４】
尚、電界放射陰極１の周囲の真空が設定値以下であるという条件のもとに、陽極５から加速電圧の印加が可能となり、更に真空筐体６６の真空が設定値以上のときのみバルブ６９，７０が開放されるようなシーケンスが組み込まれていることは言うまでもない。
【００６５】
またこの実施の態様では、上述の３つの条件の全ての条件を満足したときに重畳電圧１３が印加されるものとして説明したが、これらのうちの１つ或いは２つの条件が満たされたときにスイッチ７２が閉じるようにしても良い。
【００６６】
図１２は制御電極を付加した場合の更に他の１例であり、試料を傾斜することの出来る試料ステージ２２を持った走査型電子顕微鏡に適用したものである。この実施の態様では制御電極７６は試料７５内の上部上面を覆うように取り付けられている。また見方によっては対物レンズの形状に沿って配置されているともいえる。対物レンズの形状は試料１２の移動を妨げないように形成されており、図１２のように傾斜装置を備えたような装置の場合、試料１２に向かって先鋭的な形状を有している。このような条件下で形成された対物レンズに沿って制御電極を形成することによって、試料の移動を妨げることなく制御電極を配置することが可能となる。
【００６７】
またこの場合試料（ウェーハ）１２がどの位置，どの傾斜角にあっても試料（ウェーハ）１２が試料ホルダ２０と制御電極７６に包囲されるようになっている。この構成によれば試料（ウェーハ）１２の表面に電界が生じない。２０ａは試料（ウェーハ）１２が傾いた状態を示している。７４は試料ステージ２２に組み込まれた傾斜機構である。この実施の態様では傾斜したときに制御電極７６と試料（ウェーハ）１２の間で作る電界が変化しないように制御電極７６の開口６５の直径は、開口６５と試料１２の距離より小さくすることが望ましい。なお、制御電極７６に印加する電圧を試料１２に印加する電圧より、数十Ｖ正電位とすることで二次電子の検出効率を向上することが出来る。
【００６８】
この際、レターディング用の電圧を試料に印加するという目的上、試料に印加される電圧と、制御電極に印加される電圧に基づく複合的な電界の作用を考慮し、所望の電位が試料に印加されるように、試料と制御電極のそれぞれに印加される電圧を設定することが望ましい。
【００６９】
また開口径を大きくし二次電子を吸引する電界を試料１２に与えることも可能である。この場合は傾斜することにより観察位置ずれが生じるが、予め傾斜角とずれの量を計測し、電子ビームを偏向する。あるいは試料ステージ２２を水平移動させる等の補正を行うことにより、このずれをなくすことも可能である。この実施の形態での制御電極７６は対物レンズ８の特性に影響を与えないように非磁性体の材料で作られている。
【００７０】
なお、この実施の態様では制御電極を試料室の内部を覆うようにして配置しているが、必ずしもこのように配置する必要はない。即ち最低限、試料の移動範囲に沿って形成されていればよく、このような構成によっても試料が、試料ホルダと制御電極に包囲されることになる。なおこれまで試料ホルダを、本願発明で言うところの導電体として説明してきたが、例えば導電体を試料ホルダ上或いは下に配置するようにしても良い。また上述してきた実施の態様の場合、試料以上に導電体を大きく形成することで、試料（ウェーハ）が制御電極と導電体にほぼ包囲され、一定のレターディング電圧を印加することを可能ならしめている。
【００７１】
図１３は制御電極を付加した場合の更に他の１例である。この例では制御電極を対物レンズ８と試料１２の間に接地するのではなく、励磁コイル７８，上磁路７７，下磁路７９から構成される対物レンズ８のなかで、試料１２に対向する位置にある下磁路７９を上磁路７７と電気的に絶縁し、これに重畳電圧１３を印加している。下磁路７９に印加する電位を試料１２より正電位として二次電子を効率よく対物レンズ８上に導くことも可能である。
【００７２】
図１４は、電界と磁界を組合せた電子ビームの走査偏向器を説明する図である。走査偏向器の上に二次電子検出器を設ける場合には、試料で発生した二次電子が走査偏向器を通過するときに走査偏向器で偏向される。このため電子ビームの走査偏向角が大きくなる低倍率時に二次電子の偏向も大きくなり、電子ビーム通路の内壁に衝突してしまい検出できなくなる可能性がある。本実施例はこの問題を解決したものである。走査偏向器は８極の静電偏向器５１ａ〜５１ｈと、磁界偏向器５２ａ〜５２ｄで構成されている。
【００７３】
いま、ｘ軸方向の偏向について考えると、８極の静電偏向器のうち電極５１ｈ、５１ａ，５１ｂに正電位を、５１ｄ，５１ｅ，５１ｆに負電位を印加して偏向電界Ｅｘを作る。ここで、図１４に示すように、電極５１ａ，５１ｅには大きさＶｘの電位を印加し、その両側の電極５１ｈ，５１ｂ，５１ｄ，５１ｆにはその１／２1/2 の大きさの電位を印加する。これは均一な電界を作る方法として良く知られた方法である。電界と同時に、磁界偏向器５２のコイル５２ａ，５２ｃに電流Ｉｘを流し、図示するように電界Ｅｘと直交する方向の磁界Ｂｘを作る。この電界Ｅｘと磁界Ｂｘは下方から来る二次電子に対しては偏向を打ち消し、上方からの一次電子に対しては強めあうように働く。
【００７４】
下方から来る二次電子に対する偏向θ(Ｓ)は、下式のように磁界による偏向θ(Ｂ)と電界による偏向θ(Ｅ)の差となる。
【００７５】

ここで、Ｌは電界と磁界の作用距離、ｅとｍはそれぞれ電子の電荷と質量、Ｖｒは二次電子が走査偏向器を通過するときの加速電圧である。ＥｘとＢｘの比を下式とすると、下方から来る二次電子は偏向を受けないことになる。
【００７６】
Ｂｘ／Ｅｘ＝（２ｍ／ｅ）1/2／８Ｖｒ1/2
一方、一次電子の偏向に関しては、磁界偏向に電界偏向が加算され、下式のようになる。式中、Ｖｏは電子銃加速電圧である。
【００７７】

従って、二次電子を偏向しない条件での偏向角θ(ｏ)は下式のようになる。
【００７８】
θ(ｏ)＝（ｅ／２ｍ）1/2ＢｘＬ｛１＋（Ｖｒ／Ｖｏ）1/2｝／Ｖｏ1/2
ここまではｘ軸方向への偏向について説明した。ｙ軸方向への偏向も同様にして行う。すなわち、電極５１ｃの電位をＶｙに、電極５１ｂ，５１ｄの電位をＶｙ／２1/2 にし、電極５１ｇの電位を−Ｖｙに、電極５１ｆ，５１ｈの電位を−Ｖｙ／２1/2 にして、ｙ軸方向の偏向電界Ｅｙを発生する。同時に、磁界偏向器のコイル５２ｂ，５２ｄに電流Ｉｙを流して電界Ｅｙと直交する磁界Ｂｙを発生する。この電界Ｅｙと磁界Ｂｙは、前述と同様に、下方から来る二次電子に対しては偏向を打ち消し、上方から来る一次電子に対しては強め合うような大きさとされる。
【００７９】
実際にはｘ軸方向への偏向とｙ軸方向への偏向とを組み合わせた偏向を行う。従って各偏向電極の電位は、図１４に図示したように、ｘ軸方向への偏向電位とｙ軸方向への偏向電位を足し合わせたものとなる。なお、実際の装置では、この偏向器を上走査偏向器と下走査偏向器の２段とし、偏向した一次電子が対物レンズのレンズ中心を通るようにする。そして、偏向電極の電位Ｖｘ，Ｖｙ及び偏向コイル電流Ｉｘ，Ｉｙを上記の関係を維持しながら時間変化させることにより試料上で所望の一次電子ビームの走査が実現される。
【００８０】
次に、磁界形対物レンズのレンズ中心と、加速円筒と試料の間で作られる静電レンズのレンズ中心の関係について説明する。図１５（ａ）は、磁界形対物レンズ８の中心ＣＢと加速円筒９と試料１２の間に形成される静電レンズの中心ＣＥが一致していない場合の問題点を説明する図である。この場合、後段加速された一次電子ビーム１１は磁界レンズの中心ＣＢを通るように偏向されるが、静電レンズの中心ＣＥからは距離ｄだけずれて通過する。ずれ量ｄが大きくなると静電レンズのレンズ作用に球面収差が加わり、走査像が歪んでしまう。
【００８１】
図１５（ｂ）は、磁界形対物レンズ８のレンズ中心ＣＢと、加速円筒９と試料１２の間で作られる静電レンズのレンズ中心ＣＥを一致させた例を示す。本実施例は、対物レンズ８の上磁極５３を試料１２に対面するように突出させ、静電レンズの形成される試料１２と加速円筒９の間に磁界を作ることで両レンズの中心を一致させたものである。この結果、後段加速された一次電子ビーム１１が静電レンズのレンズ作用を受けることがないため、歪のない走査像を得ることができた。
【００８２】
図１６は、磁界レンズと静電レンズの中心の一致をより効果的に実現する対物レンズ８の構造を示す。これまで示した実施例では、対物レンズ８の電子ビーム通路内部に加速円筒９を挿入していた。この場合、加速円筒が作る静電レンズと対物レンズの作る磁界レンズの軸中心がずれると分解能の低下を招くため、両者の機械的中心を精度良く合わせる必要がある。この実施例はこの点に着目したもので、対物レンズ８の上磁極５３を下磁極５４の端部レベルまで突出させて、試料１２に対面させる。さらに、上磁極５３を絶縁板５５で対物レンズの残部から電気的に絶縁し、これに後段加速電圧１０を印加している。
【００８３】
本実施例によると、対物レンズ８のレンズ中心を決定している上磁極と後段加速電極が兼用となっているため、前述したような静電レンズと磁界レンズのずれを生じることがない。また、磁界レンズの上磁極５３が試料１２に直接対面し、しかもこれに後段加速電圧が印加されていることから、軸中心ばかりでなく、静電レンズと磁界レンズのレンズ中心の位置をも一致させることができる。
【００８４】
【発明の効果】
本発明によれば、対物レンズ内を通過するときの一次電子ビームの加速電圧を最終の加速電圧より高くすることができ、対物レンズで発生する収差によるビームのぼけを少なくすることができる。また、電子ビーム通路内に反射板を設けることにより、これまで困難であった二次電子又は反射電子等の二次信号を効率良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の概略図。
【図２】二次信号の検出に反射板を用いた実施例の説明図。
【図３】二次信号の検出に反射板を用い、さらに二次電子の吸引に直交する電界と磁界を用いて一次電子の偏向を防止した実施例の説明図。
【図４】二次信号検出器を走査偏向器の上方に置いた実施例の概略図。
【図５】走査偏向器の上方と下方の２箇所に二次信号検出器を設けた実施例の概略図。
【図６】二次信号の検出にチャンネルプレートを用いた実施例の説明図。
【図７】二次信号の検出にシンチレータを用いた実施例の説明図。
【図８】試料へ印加される電界強度を制御した実施例の概略図。
【図９】試料上に制御電極を備えた実施例の一例を示す図。
【図１０】制御電極を備えた荷電粒子顕微鏡の一例を示す図。
【図１１】制御電極を備えた荷電粒子顕微鏡の他の一例を示す図。
【図１２】試料室内面に沿って制御電極が形成された荷電粒子顕微鏡の一例を示す図。
【図１３】対物レンズ磁路の一部を制御電極とした例を示す図。
【図１４】走査偏向器を電界と磁界の組合せとした実施例の説明図。
【図１５】磁界レンズと静電レンズのレンズ中心を一致させた実施例の説明図。
【図１６】磁界レンズの磁極と加速円筒を共用した実施例の説明図。
【符号の説明】
１…電界放出陰極、２…引出電極、３…引出電圧、４…放出電子、５…陽極、６…電子銃加速電圧、７…陽極５を通過した一次電子ビーム、８…対物レンズ、９…加速円筒、１０…後段加速電圧、１１…後段加速された一次電子ビーム、１２…試料、１３…重畳電圧、１４…コンデンサレンズ、１５…上走査偏向器、１６…下走査偏向器、１７…減速電界、１８…絞り、１９…調整つまみ、２０…試料ホルダ、２１…絶縁台、２２…試料ステージ、２３…二次電子、２４…吸引電極、２５…シンチレータ、２６…ライトガイド、２７…光電子増幅管、２８…中央孔、２９…反射板、３０…反射板で作られた二次電子、３１…電界偏向電極、３２…直交磁界偏向コイル、３３…上検出器、３４…下検出器、３５…チャンネルプレート本体、３６…制御電極、３７…メッシュ、３９…増幅された電子、４０…アノード電圧、４１…アノード、４２…増幅器、４３…光変換回路、４４…光信号、４５…電気変換回路、４６…単結晶シンチレータ、４７…開口、４８…導電性コーティング、４９…二次電子のクロスオーバ、５０…制御電圧、５１ａ〜５１ｈ…静電偏向電極、５２ａ〜５２ｄ…磁界偏向コイル、５３…上磁極、５４…下磁極、５５…絶縁板。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a scanning electron microscope that obtains a two-dimensional scanning image representing the shape or composition of a sample surface by scanning the surface of the sample to be inspected, and in particular, a scanning image with high resolution in a low acceleration voltage region. The present invention relates to a scanning electron microscope suitable for obtaining.
[0002]
[Prior art]
The scanning electron microscope accelerates electrons emitted from a heating type or field emission type electron source, and forms a thin electron beam (primary electron beam) with an electrostatic or magnetic lens, and this primary electron beam is scanned using a scanning deflector. Scan the sample to be observed, detect secondary signals such as secondary electrons or reflected electrons secondary generated from the sample by irradiation with the primary electron beam, and scan the detected signal intensity in synchronization with the primary electron beam scan. A two-dimensional scanning image is obtained by using the luminance modulation input of the cathode ray tube. In a general scanning electron microscope, electrons emitted from an electron source are accelerated between an electron source to which a negative potential is applied and an anode at a ground potential, and an electron beam is scanned on an inspection sample at the ground potential.
[0003]
As a result of scanning electron microscopes being used in the process of semiconductor device fabrication or post-finish inspection (eg, dimensional measurement with an electron beam or inspection of electrical operation), the insulation can be observed without being charged. A high resolution of 10 nm or less has been required at a low acceleration voltage.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The factor that hinders high resolution in the low acceleration voltage region is the blurring of the electron beam due to chromatic aberration caused by variations in the energy of the electron beam emitted from the electron source. In a scanning electron microscope with a low acceleration voltage, a field emission type electron source with a small variation in energy of an emitted electron beam is mainly used in order to reduce the blur due to the chromatic aberration. However, even with a field-emission electron source, the spatial resolution at 500 volts is limited to 10 to 15 nm and cannot satisfy the user's requirements.
[0005]
As a solution to this problem, the acceleration of the primary electron beam between the electron source and the anode at the ground potential is set to a voltage value higher than the final acceleration voltage, and the objective lens at the ground potential and a negative potential are applied. There is a method to set the final low acceleration voltage by decelerating the primary electrons between the samples (see: Eye Triple E, 9th Annual Symposium on Electron Ion and Laser Technology Procedure, pp. 176-186, IEEE 9th Annual Symposium on Electron, Ion and Laser Technology).
[0006]
Although the effect of this method has already been confirmed by experiments, since a high voltage is applied to the sample, secondary electrons are pulled into the mirror body by a deceleration electric field and are difficult to detect, and have high insulation properties. Since a sample stage is required, there are almost no examples adopted in commercial devices.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a breakthrough for the aforementioned problems. In the present invention, there is provided means for detecting a secondary signal such as secondary electrons or reflected electrons sucked into the aperture of the objective lens by an electric field applied between the objective lens and the sample after passing through the objective lens. In order to solve the problem of secondary signal detection, and by providing a post-acceleration means in the objective lens path, the negative potential applied to the sample is reduced to a practical value, and it can be used in a commercially available device. is there.
[0008]
That is, the present invention relates to an electron source, a scanning deflector that scans the sample with a primary electron beam generated from the electron source, an objective lens that converges the primary electron beam, and a secondary electron beam generated from the sample by irradiation with the primary electron beam. In a scanning electron microscope including a secondary signal detector for detecting a secondary signal and obtaining a two-dimensional scanning image of a sample, an accelerating cylinder disposed in an electron beam path of an objective lens, and a stage subsequent to the primary electron beam in the accelerating cylinder A means for applying an accelerating voltage; a means for forming a decelerating electric field for the primary electron beam between the accelerating cylinder and the sample; and a secondary signal detector arranged at a position closer to the electron source than the accelerating cylinder, To do.
[0009]
According to the present invention, it is possible to solve the problem that it is difficult to detect secondary electrons or reflected electrons, and the handling problem caused by applying a high potential to the sample. A scanning electron microscope with reduced chromatic aberration can be realized.
[0010]
The secondary signal detector includes a conductive reflector having an aperture through which a primary electron beam passes, suction means for sucking secondary electrons generated by the reflector, and detection means for detecting the sucked secondary electrons. Can be included. The attraction means can be made of an electric field and a magnetic field perpendicular to the electric field, so that the deflection of the primary electron beam due to the electric field can be canceled by the magnetic field. This type of secondary signal detection method can also be applied when no acceleration cylinder is provided or when the acceleration cylinder is set to 0 V (ground potential).
[0011]
The secondary signal detector may be composed of a multi-channel plate having an aperture through which the primary electron beam passes, or a photodetector that detects the light emission of the phosphor and phosphor having the aperture through which the primary electron beam passes. You may comprise.
[0012]
The installation location of the secondary signal detector may be between the acceleration cylinder and the scanning deflector, between the scanning deflector and the electron source, or both. When secondary signal detectors are provided at two locations, a scanning image can be formed using one of the detection signals, or a scanning image is formed by calculating the detection signals of the two detectors. You can also Which method is used to form the scanned image may be automatically selected according to the scanned image magnification or the observation conditions given in advance. The method using the two secondary signal detectors can also be applied when the acceleration cylinder is not provided or when the acceleration cylinder is set to 0 V (ground potential).
[0013]
The scanning deflector for the primary electron beam combines electrostatic deflection and magnetic field deflection to give the desired deflection to the primary electron beam but to the secondary signal sucked from the sample side. Can not be. This deflection method combining electrostatic deflection and magnetic field deflection can also be applied when no acceleration cylinder is provided.
[0014]
While maintaining the ratio of the post-acceleration voltage applied to the acceleration cylinder to the electron gun voltage applied to the electron source, and the ratio of the voltage applied to the sample to the electron gun voltage applied to the electron source, the post-acceleration voltage and the sample applied voltage are kept constant. When controlled, the crossover point of the secondary signal generated from the sample can be maintained at a fixed position.
[0015]
By aligning the center of the lens created by the magnetic field of the objective lens with the center of the electrostatic lens formed between the accelerating cylinder and the sample, the distortion of the scanned image due to the electrostatic lens action formed by the deceleration electric field is eliminated. Can do.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic view of an embodiment of a scanning electron microscope according to the present invention. When an extraction voltage 3 is applied between the field emission cathode 1 and the extraction electrode 2, emitted electrons 4 are emitted. The emitted electrons 4 are further accelerated (sometimes decelerated) between the extraction electrode 2 and the anode 5 at the ground potential. The energy (acceleration voltage) of the electron beam that has passed through the anode 5 matches the electron gun acceleration voltage 6. In the present invention, the primary electron beam 7 that has passed through the anode 5 is further accelerated by an acceleration cylinder 9 provided so as to penetrate the objective lens 8. The energy of the electron beam when passing through the objective lens 8 is the sum of the electron gun acceleration voltage 6 and the subsequent acceleration voltage 10 applied to the acceleration cylinder 9. The post-accelerated primary electron beam 11 is decelerated by a negative superimposed voltage 13 applied to the sample 12 to obtain a desired acceleration voltage. The actual acceleration voltage of this method is the difference between the electron gun acceleration voltage 6 and the superimposed voltage 13 regardless of the post-stage acceleration voltage 10.
[0018]
The primary electron beam 7 that has passed through the anode 5 is subjected to scanning deflection by the condenser lens 14, the upper scanning deflector 15, and the lower scanning deflector 16, and then further accelerated by the acceleration cylinder 9 provided in the path of the objective lens 8. Receive 10 accelerations. The primary electron beam 11 accelerated later is narrowed down onto the sample 12 by the objective lens 8. The primary electron beam 11 that has passed through the objective lens 8 is decelerated by the deceleration electric field 17 created between the objective lens 8 and the sample 12 and reaches the sample 12.
[0019]
According to this configuration, the acceleration voltage of the primary electrons when passing through the objective lens 8 is higher than the final acceleration voltage. As a result, as compared with the case where the primary electron beam of the final acceleration voltage is passed through the objective lens 8, the chromatic aberration at the objective lens is reduced and a thinner electron beam (high resolution) is obtained. The opening angle of the primary electron beam of the objective lens 8 is determined by a diaphragm 18 placed below the condenser lens 14. The diaphragm 18 is centered by the adjustment knob 19. Although mechanical adjustment is performed in the figure, an electrostatic or magnetic deflector may be provided before and after the stop 18 to deflect the electron beam for adjustment.
[0020]
The electron beam narrowed down by the objective lens 8 is scanned on the sample 12 by the upper scanning deflector 15 and the lower scanning deflector 16. At this time, the deflection direction and intensity of the upper scanning deflector 15 and the lower scanning deflector 16 are scanned. Is adjusted so that the scanned electron beam always passes through the center of the objective lens 8. The sample 12 is fixed on the sample holder 20 to which the superimposed voltage 13 is applied. The sample holder 20 is placed on the sample stage 22 via the insulating table 21, and the horizontal position can be adjusted.
[0021]
When the primary electron beam 11 irradiates the sample 12, secondary electrons 23 are generated. The deceleration electric field 17 created between the objective lens 8 and the sample 12 acts as an accelerating electric field for the secondary electrons 23, so that it is attracted into the path of the objective lens 8 and receives the lens action by the magnetic field of the objective lens 8. Going up. The secondary electrons 23 that have passed through the objective lens 8 are attracted by the lateral electric field of the suction electrode 24 placed between the objective lens 8 and the lower scanning deflector 16, pass through the mesh of the suction electrode 24, and then 10 kV ( The scintillator 25 is accelerated by the scintillator 25 to which a positive potential is applied, and the scintillator 25 is illuminated. The emitted light is guided to the photomultiplier tube 27 by the light guide 26 and converted into an electrical signal. The output of the photomultiplier tube 27 is further amplified and becomes a luminance modulation input of a cathode ray tube (not shown).
[0022]
The feature of this configuration is that the acceleration voltage of the electron beam when passing through the condenser lens 14, the aperture stop 18 and the objective lens 8 is higher than the final energy, and particularly when passing through the objective lens 8 governing chromatic aberration. Furthermore, the latter stage acceleration is added. In a typical example, the electron gun acceleration voltage is 1000 volts, the rear stage acceleration voltage is 1000 volts, the negative superimposed voltage on the sample 12 is 500 volts, and the actual acceleration voltage is 500 volts. When passing through the objective lens 8, it is 2000 volts, so the chromatic aberration is reduced to about 50%, and when the acceleration voltage is 500 volts, the beam diameter (resolution), which was 15 nm, is improved to 7 nm. .
[0023]
In the above-described embodiment, the secondary electrons 23 are taken out of the electron path by the suction electrode 24 and detected. In this method, since the energy of the secondary electrons 23 increases as the superimposed voltage 13 increases, it is necessary to increase the voltage applied to the suction electrode 24 accordingly. As a result, there arises a problem that the primary electron beam (the primary electron beam 7 that has passed through the anode 5) is also deflected.
[0024]
The embodiment using the reflector shown in FIG. 2 solves the above-described problem and enables highly efficient detection. In this embodiment, a reflecting plate 29 having a central hole 28 is provided in the electron beam passage. The reflecting plate is coated with a material such as gold, silver, platinum, or the like, which easily generates secondary electrons by electron irradiation. The primary electron beam 7 that has passed through the anode 5 passes through the central hole 28 of the reflector 29 and then enters the acceleration cylinder 9. The diameter of the central hole 28 is set such that the electron beam deflected by the

scanning deflectors

15 and 16 does not collide with the reflection plate 29. The secondary electrons 23 generated in the sample 12 and accelerated by the superimposed voltage 13 pass through the accelerating cylinder 9 while diverging by the lens action of the objective lens 8 and collide with the back surface of the reflecting plate 29. Although the trajectories are different from the secondary electrons, the reflected electrons generated in the sample 12 also collide with the back surface of the reflecting plate 29 in the same manner.
[0025]
Secondary electrons 30 formed on the back surface of the reflector 29 are attracted by the electric field of the suction electrode 24 and converted into an electrical signal through the scintillator 25, the light guide 26, and the photoelectron amplifier tube 27 as in FIG. The feature of this method is that even if the superimposed voltage 13 applied to the sample is high and the acceleration of the secondary electrons 23 is high, the detected secondary electrons 30 are made of a reflector 29 that is not accelerated. For this reason, the voltage applied to the suction electrode 24 may be low. Therefore, the influence of the electric field generated by the suction electrode 24 on the primary electron beam 7 that has passed through the anode 5 can be reduced. Here, the scintillator 25 is used to detect the attracted secondary electrons, but an electron detection amplifier such as a channel plate or a multi-channel plate may be used.
[0026]
FIG. 3 shows an example in which the magnetic field B is applied perpendicular to the electric field E that attracts the secondary electrons 30 made of the reflector 29. With this structure, the deflection of the primary electron beam due to the above-described attractive electric field E can be corrected. That is, the deflection of the primary electron beam 7 that has passed through the anode 5 is corrected by the deflection by the magnetic field B. Here, 31 'and 31 "are electric field deflection electrodes for generating an attractive electric field, and 31" is meshed so that the secondary electrons 30 can pass through. Reference numerals 32 'and 32 "denote orthogonal magnetic field deflection coils (the coils 32' and 32" for generating the magnetic field B are symbolically shown in the figure). The magnetic field B generated by the orthogonal magnetic field deflection coils 32 'and 32 "is orthogonal to the electric field E, and the strength of the magnetic field B is adjusted so as to cancel the deflection caused by the electric field E received by the accelerated electron beam 7. In the example, the orthogonal magnetic field deflection coils 32 are set as one set. However, if the orthogonal magnetic field deflection coils are set to two sets arranged at an angle, the orthogonality with the electric field can be adjusted by adjusting the current flowing through the coils of each set. Even if the direction of the electric field is adjusted by using two sets of electric field deflection electrodes instead of using two sets of the orthogonal magnetic field deflection coils 32, the orthogonality between the electric field and the magnetic field can be adjusted precisely. It goes without saying that it is possible.
[0027]
The secondary signal detection method using the reflector 29 shown in FIGS. 2 and 3 operates effectively even when the acceleration cylinder 9 is not provided or when the acceleration cylinder 9 is grounded.
[0028]
FIG. 4 shows an embodiment in which the secondary signal detector is provided above the upper scanning deflector 15. In the figure, a secondary signal detector is provided between the upper scanning deflector 15 and the diaphragm 18. As in FIG. 2, a central hole 28 is provided in the reflector 29. However, since the primary electron beam is not yet deflected by scanning, the size of the central hole 28 limits the aperture angle of the minimum primary electron beam. The same diameter as the diaphragm 18 to be used may be used. In the embodiment shown in the figure, a reflector 29 having a central hole 28 having a diameter of 0.1 mm is provided below the diaphragm 18. It is also possible to share the diaphragm 18 and the reflection plate 29.
[0029]
When the reflecting plate 29 is installed below the scanning deflector, the diameter of the central hole 28 is set to a size that prevents the deflected electron beam from colliding. Comparing the size of the central hole 28 with a typical example, a size of 3 to 4 mm is required when installed below, but 0.1 mm or less may be used when installed above. As described above, when the reflecting plate is installed above the scanning deflector, the central hole of the reflecting plate can be made sufficiently small, so that the efficiency of capturing secondary electrons by the reflecting plate is improved.
[0030]
In the embodiment of FIG. 4, the sample 12 is placed in the magnetic pole gap of the objective lens 8. This arrangement reduces the chromatic aberration coefficient of the objective lens 8 and has a shape that pursues higher resolution. A sample stage 22 is also provided in the objective lens 8.
[0031]
FIG. 5 shows an embodiment in which secondary signal detectors are provided at both the upper and lower positions of the scanning deflector. An upper detector 33 is provided on the upper scanning deflector 15, and a lower detector 34 is provided between the lower scanning deflector 16 and the acceleration cylinder 9. As shown in FIG. 3 and FIG. 4, the upper detector 33 and the lower detector 34 are, respectively, reflecting

plates

29a and 29b, electric

field deflection electrodes

31a and 31b, orthogonal magnetic field deflection coils 32a and 32b, scintillators 25a and 25b, and light guides. 26a and 26b and

photomultiplier tubes

27a and 27b.
[0032]
In this embodiment, the upper detector 33 can detect secondary electrons or reflected electrons that have passed through the central hole 28 b of the reflecting plate 29 b of the lower detector 34. Since the secondary signal detected by the upper detector 33 includes many secondary electrons and reflected electrons emitted from the sample 12 in the vertical direction, an image having a contrast different from that of the lower detector 34 is obtained. For example, in a contact hole inspection in a semiconductor device manufacturing process, when the lower detector 34 is used, an image in which the contact hole portion is emphasized is obtained from the periphery, and when the upper detector 33 is used, a fine image of the bottom of the contact hole is obtained. Is obtained. It is also possible to create a contrast that emphasizes the characteristics of the sample by calculating the signals of both detectors 33 and 34.
[0033]
Whether the scanning image is generated by the output of the upper or lower detector can be selected by the operator, but may be automatically selected under predetermined conditions. For example, the lower detector 34 is selected when the observation magnification is 2000 times or less, and the upper detector 33 is selected when the observation magnification is higher than that. Moreover, you may make it select according to the sample to observe. In this case, a procedure such as inputting the type of sample to be observed into the apparatus is performed. For example, when the observation of the contact hole of the semiconductor element is input, the upper detector 33 that highlights the inside of the hole is automatically selected, and when the resist on the surface is observed, the lower detector 34 is selected.
[0034]
In the embodiment shown in FIG. 4 or FIG. 5, even if the accelerating cylinder 9 is removed or the accelerating cylinder 9 is grounded, the effect is great and sufficiently practical.
[0035]
FIG. 6 shows an embodiment in which a secondary signal is detected using a multi-channel plate detector. The multi-channel plate 35 has a disk shape and is provided with a central hole 28 through which the primary electron beam passes. A mesh 37 is provided below the multichannel plate 35 and is grounded. In such a configuration, the primary electron beam 7 that has passed through the anode 5 passes through the center hole 28 of the microchannel plate, and is then converged by the objective lens and irradiated onto the sample. The secondary electrons 23 generated in the sample pass through the mesh 37 and enter the channel plate 35. The secondary electrons 23 incident on the channel plate 35 are accelerated and amplified by the amplification voltage 38 applied to both ends of the channel plate 35. The amplified electrons 39 are further accelerated by the anode voltage 40 and captured by the anode 41. The captured secondary electron signal is amplified by an amplifier 42 and then converted to an optical signal 44 by an optical conversion circuit 43. The reason for the conversion to the optical signal 44 is that the amplifier 42 is floated by the amplified voltage 38 of the channel plate body 35. The optical signal 44 is converted again into an electric signal by the electric conversion circuit 45 of the ground potential, and is used as a luminance modulation signal of the scanning image.
[0036]
Here, it is also possible to obtain information on the emission direction of the secondary electrons 23 by dividing the anode 41 into two or four. In this case, it is needless to say that the amplifiers 42, the optical conversion circuits 43, and the electrical conversion circuits 45 are required in the number corresponding to the division, and the signal processing for calculating the divided signals is performed.
[0037]
FIG. 7 shows an embodiment in which a secondary signal is detected using a single crystal scintillator. In FIG. 7, a single crystal scintillator 46 is obtained by, for example, cutting a cylindrical YAG single crystal obliquely and providing an opening 47 for allowing a primary electron beam to pass through the cut surface. Alternatively, a conductive thin film 48 such as carbon is coated, and the conductive thin film 48 is grounded. Light emitted when the secondary electrons 23 generated from the sample 12 irradiate the scintillator 46 is reflected at an oblique portion, and is guided to the photomultiplier tube 27 by a light guide formed by a cylindrical portion, and is detected and amplified. . In this embodiment, the light emitting part and the light guide of the scintillator 46 are described as being composed of a YAG single crystal. However, only the light emitting part for detecting secondary electrons is a YAG single crystal or phosphor, and the light guide is used as a light guide. You may make it comprise with transparent bodies, such as glass and resin.
[0038]
A control method for efficiently performing secondary signal detection will be described with reference to FIG. Since the secondary signal (for example, secondary electrons) 23 passes through the magnetic field of the objective lens 8, it receives a lens action, and a crossover 49 of secondary electrons is created. If the secondary electrons are focused on the opening 47 of the scintillator 46 by the lens action, most of the secondary electrons pass through the opening 47 and cannot be detected. Therefore, the detection efficiency is increased by adjusting the focal point before and after the reflector. In the embodiment, the rear stage acceleration voltage and the superimposed voltage applied to the sample are controlled so as not to change the focal position of the secondary electrons when the acceleration voltage (substantial acceleration voltage) is changed.
[0039]
The focal length of the magnetic lens is a function of the variable I · N / V1 / 2, where I is the current flowing through the lens coil, N is the number of turns of the coil, and V is the acceleration voltage of electrons when passing through the lens magnetic field. The acceleration voltage when the primary electrons pass through the lens magnetic field is (Vo + Vb), where Vo is the electron gun acceleration voltage and Vb is the subsequent acceleration voltage applied to the acceleration cylinder. Since the sample position (focal length) is constant, I · N / (Vo + Vb) 1/2 is always a constant value (= a). The acceleration voltage when the secondary electrons pass through the lens magnetic field is (Vr + Vb) where the superimposed voltage applied to the sample is Vr, and the variable I · N / V1 / 2 is expressed by the following equation.
[0040]

From this equation, if the Vr / Vo and Vb / Vo ratios are controlled to be constant, the focal position of the secondary electrons will be constant. That is, if the post-acceleration voltage Vb and the superimposed voltage Vr of the sample are controlled with the Vr / Vo and Vb / Vo ratios being constant, the focal position of the secondary electrons is made constant without depending on the acceleration voltage (actual acceleration voltage). Can be controlled.
[0041]
FIG. 8 shows an example in which a control electrode for controlling the electric field applied to the sample surface is added. A control electrode 36 is provided between the objective lens 8 and the sample 12, and a control voltage 50 is applied thereto. The control electrode 36 has a hole through which an electron beam passes. The control electrode 36 controls the electric field strength applied to the surface of the sample 12 between the acceleration cylinder 9 and the sample 12. This configuration is effective when it is inconvenient if a strong electric field is applied to the sample. For example, there is a case where there is a problem of element damage due to a strong electric field of a wafer on which a semiconductor integrated circuit is formed.
[0042]
Further, it is effective for the problem of electrical non-contact with the sample holder 20 when the periphery of the wafer is covered with an oxide film. More specifically, when the side surface and back surface of the sample (wafer) are covered with an insulator, electrical connection for lettering cannot be made. In addition, the sample (wafer) 12 is in an electric field created between the sample holder 20 and the objective lens 8, and when there is no control electrode, the superimposed voltage 13 applied to the sample holder 20 and the objective lens 8 at the ground potential. This is because normal observation cannot be performed because only an intermediate potential is applied.
[0043]
Further, by setting the potential of the control electrode 36 to the same potential as the potential of the sample holder 20 to which the superimposed voltage 13 is applied or a positive potential of several tens of volts from the sample holder 20, the element is damaged or the wafer is lifted from the potential of the sample holder 20. Can be prevented. In this case, the control electrode 36 is sufficiently large so as to always cover the sample (wafer).
[0044]
FIG. 9 is a diagram showing an example when a control electrode is added.
[0045]
A control electrode 60 having an opening 59 through which a primary electron beam passes is provided above the sample (wafer) 12, and the same voltage as the superimposed voltage 13 applied to the sample holder 20 is applied to the control electrode 60. When the control electrode 60 having the same potential as the sample holder 20 is placed on the sample (wafer) 12, the wafer is surrounded by the same potential metal, and the wafer has the same potential as the surrounding metal. Strictly speaking, the penetration of the electric field from the opening 59 through which the primary electron beam 7 that has passed through the anode 5 passes becomes an error from the metal potential. This error is roughly a ratio between the area of the sample (wafer) 12 and the area of the opening 59. For example, if the wafer is 8 inches and the diameter of the opening 59 is 10 mm, the area ratio is 1/400 and the potential error is 1%, which is a sufficiently small value.
[0046]
With the configuration as described above, the same potential as the potential of the metal surrounding the wafer can be applied to the wafer.
[0047]
As a result, it is possible to apply a voltage for lettering even when the wafer is such that the front and back surfaces are covered with an insulating film and cannot be electrically connected to a sample stage or the like. .
[0048]
In this embodiment, at least a portion of the sample holder 20 located below the sample (wafer) 12 is formed of a conductor for applying the superimposed voltage 13, so that the wafer has the same potential as described above. It will be surrounded by metal. The sample holder itself may be a conductor, or a conductor may be inserted into the sample holder.
[0049]
FIG. 10 shows another example when a control electrode is added.
[0050]
A control electrode 60 is installed between the sample (wafer) 12 and the objective lens 8, and the same voltage as the superimposed voltage 13 applied to the sample holder 20 is applied to the control electrode 60. As a result, the sample (wafer) 12 is surrounded by the sample holder 20 and the control electrode 60 to which the same voltage is applied. As described above, even if the sample (wafer) 12 is covered with the insulating film, the superimposed voltage is applied. The voltage of 13 can be applied to the sample (wafer).
[0051]
The opening 59 of the control electrode 60 is generally circular, but can be other than circular. The size of the opening 59 is set so as not to obstruct the visual field to be observed. In this embodiment, the opening 59 has a diameter of 4 mm. Since the distance between the control electrode 60 and the sample (wafer) 12 is 1 mm, the field of view has a diameter of 4 mm. Further, since the deceleration electric field reaches the wafer through the opening 59, the secondary electrons can be efficiently lifted onto the objective lens 8. When the aperture diameter is reduced, the deceleration electric field does not reach the sample (wafer) 12. However, when the wafer is tilted or the sample has irregularities, these conditions are better, and astigmatism occurs. Visual field shift can be reduced.
[0052]
A stage 22 is provided for observing an arbitrary place on the sample (wafer) 12. Here, when the observation target is a position greatly deviated from the center point of the sample (wafer) 12, it is necessary to move the sample (wafer) 12 greatly. At this time, if the sample (wafer) 12 is detached from the control electrode 60, the potential of the sample (wafer) 12 changes, and a constant lettering voltage cannot be applied.
[0053]
In order to cope with this situation, in this embodiment, the control electrode is formed along the movement trajectory of the sample (wafer) 12. With this configuration, even if the position of the sample (wafer) 12 is changed by the stage 22, a constant lettering voltage can be applied, and further element destruction due to an electric field generated between the objective lens 8 and the sample (wafer) 12 can be prevented.
[0054]
In this embodiment, it is desirable to arrange a control electrode having a size larger than the moving range of the wafer. Specifically, the diameter of the control electrode for observing the entire surface of the 8-inch wafer is set to a diameter of 400 mm. With this configuration, the voltage applied to the wafer can be kept constant regardless of how the wafer is moved.
[0055]
In the present embodiment, the control electrode is a flat electrode. However, the evacuation property can be improved by using a mesh shape or a shape in which a large number of holes or slits are formed. In this case, it is desirable that the hole diameter and slit width are smaller than the distance between the wafer and the control electrode.
[0056]
In FIG. 10, when the primary electrons 63 c pass through the opening 59 of the control electrode 60 and are irradiated onto the sample (wafer) 12, secondary electrons 62 are generated. The generated secondary electrons 62 are reversely accelerated by a decelerating electric field with respect to the primary electrons 63 c and guided to the upper side of the objective lens 8. At this time, since it receives a lens action by the magnetic field of the objective lens 8, it is guided onto the objective lens 8 while forming a focal point as shown in the figure.
[0057]
The guided secondary electrons 62 collide with the reflecting plate 29 and generate secondary electrons 30. The secondary electrons 30 are deflected by an electric field formed by a deflecting electrode 31 'to which a negative potential is applied and a deflecting electrode 31 "to which a positive potential is applied. The deflection electrode 31''is made of a mesh. Therefore, the secondary electrons 30 pass through the mesh and are detected by the scintillator 25. Reference numerals 32 ″ and 32 ′ denote deflection coils, which create a magnetic field orthogonal to the electric field created by the deflection electrodes 31 ′ and 31 ″ and cancel the deflection action of the primary electron beam 63b by the electric field created by the deflection electrodes 31 ′ and 31 ″. ing.
[0058]
Although not shown, it is also possible to reduce contamination (contamination) generated by scanning the sample with the primary electron beam 63c by cooling the control electrode 64.
[0059]
FIG. 11 shows still another example in which a control electrode is added.
[0060]
Components such as the field emission cathode 1, the extraction electrode 2, the anode 5, the condenser lens 14, the objective lens 8, the sample 12, the sample holder 20, the insulating table 21, and the sample stage 22 are housed in a vacuum housing 66. Note that the vacuum exhaust system is not shown.
[0061]
Here, in a state where a negative superimposed voltage is applied to the sample 12, it is necessary to avoid the sample exchange operation by the sample exchange mechanism 67 and the atmosphere inside the vacuum housing 66. In other words, the superimposed voltage 13 may be applied only when the electron beam is scanned over the sample 12.
[0062]
Therefore, in this embodiment, the first condition in which the switch 68 which is a preparatory operation at the time of mounting and exchanging the sample is closed and the acceleration voltage 6 is applied, and a valve provided between the field emission cathode 1 and the sample 12 are provided. 69 and when the second condition in which both the valves 70 are open and the third condition in which the valve 71 through which the sample exchange mechanism 67 places the sample 12 on the sample stage 22 are closed are satisfied. Only when the switch 72 is closed and the superimposed voltage 13 is applied to the sample 12.
[0063]
The sample holder 20 and the sample stage 22 are electrically connected via a discharge resistor 73. When the switch 72 is opened, the charge charged in the sample 12 is changed to the sample holder 20, the discharge resistor 73, and the sample stage 22. (The sample stage 22 is grounded) and is discharged quickly under a constant time constant, so that the potential of the sample 12 is lowered. The discharge resistor may be built in the power source of the superimposed voltage 13.
[0064]
It is to be noted that an acceleration voltage can be applied from the anode 5 under the condition that the vacuum around the field emission cathode 1 is equal to or lower than a set value, and only when the vacuum of the vacuum casing 66 is equal to or higher than the set value, the valve 69 is used. Needless to say, a sequence in which the.
[0065]
In this embodiment, the superposition voltage 13 is applied when all of the above three conditions are satisfied. However, when one or two of these conditions are satisfied, The switch 72 may be closed.
[0066]
FIG. 12 shows still another example in which a control electrode is added, and is applied to a scanning electron microscope having a sample stage 22 that can tilt the sample. In this embodiment, the control electrode 76 is attached so as to cover the upper upper surface in the sample 75. It can also be said that the lens is arranged along the shape of the objective lens depending on how it is viewed. The shape of the objective lens is formed so as not to hinder the movement of the sample 12. In the case of an apparatus having a tilting device as shown in FIG. 12, the objective lens has a sharp shape toward the sample 12. By forming the control electrode along the objective lens formed under such conditions, the control electrode can be arranged without hindering the movement of the sample.
[0067]
In this case, the sample (wafer) 12 is surrounded by the sample holder 20 and the control electrode 76 regardless of the position and the inclination angle of the sample (wafer) 12. According to this configuration, an electric field is not generated on the surface of the sample (wafer) 12. Reference numeral 20a denotes a state in which the sample (wafer) 12 is tilted. Reference numeral 74 denotes an inclination mechanism incorporated in the sample stage 22. In this embodiment, the diameter of the opening 65 of the control electrode 76 may be smaller than the distance between the opening 65 and the sample 12 so that the electric field generated between the control electrode 76 and the sample (wafer) 12 does not change when tilted. desirable. Note that the detection efficiency of secondary electrons can be improved by setting the voltage applied to the control electrode 76 to a positive potential of several tens V from the voltage applied to the sample 12.
[0068]
At this time, for the purpose of applying a lettering voltage to the sample, a desired electric potential is applied to the sample in consideration of the action of a complex electric field based on the voltage applied to the sample and the voltage applied to the control electrode. It is desirable to set the voltage applied to each of the sample and the control electrode so as to be applied.
[0069]
It is also possible to give the sample 12 an electric field that attracts secondary electrons by increasing the aperture diameter. In this case, the observation position shifts by tilting, but the tilt angle and the amount of shift are measured in advance to deflect the electron beam. Alternatively, this deviation can be eliminated by performing correction such as horizontally moving the sample stage 22. The control electrode 76 in this embodiment is made of a non-magnetic material so as not to affect the characteristics of the objective lens 8.
[0070]
In this embodiment, the control electrode is arranged so as to cover the inside of the sample chamber, but it is not always necessary to arrange in this manner. That is, it is only necessary to form the sample along the moving range of the sample, and the sample is surrounded by the sample holder and the control electrode even with such a configuration. Although the sample holder has been described as a conductor in the present invention so far, for example, the conductor may be arranged on or below the sample holder. In the case of the embodiment described above, by forming a conductor larger than the sample, the sample (wafer) is almost surrounded by the control electrode and the conductor, and it is possible to apply a constant lettering voltage. Yes.
[0071]
FIG. 13 shows still another example in which a control electrode is added. In this example, the control electrode is not grounded between the objective lens 8 and the sample 12 but is opposed to the sample 12 in the objective lens 8 including the exciting coil 78, the upper magnetic path 77, and the lower magnetic path 79. The lower magnetic path 79 at the position is electrically insulated from the upper magnetic path 77, and the superimposed voltage 13 is applied thereto. It is also possible to efficiently introduce secondary electrons onto the objective lens 8 by setting the potential applied to the lower magnetic path 79 as a positive potential from the sample 12.
[0072]
FIG. 14 is a diagram for explaining an electron beam scanning deflector combining an electric field and a magnetic field. When the secondary electron detector is provided on the scanning deflector, the secondary electrons generated in the sample are deflected by the scanning deflector when passing through the scanning deflector. For this reason, when the scanning deflection angle of the electron beam becomes large, the deflection of the secondary electrons also becomes large at the time of low magnification, which may collide with the inner wall of the electron beam path and cannot be detected. The present embodiment solves this problem. The scanning deflector includes 8-pole electrostatic deflectors 51a to 51h and magnetic field deflectors 52a to 52d.
[0073]
Considering the deflection in the x-axis direction, a deflection electric field Ex is created by applying a positive potential to the

electrodes

51h, 51a, 51b and a negative potential to 51d, 51e, 51f of the eight-pole electrostatic deflector. Here, as shown in FIG. 14, a potential of Vx is applied to the electrodes 51a, 51e, and a potential of 1/21/2 is applied to the

electrodes

51h, 51b, 51d, 51f on both sides thereof. Apply. This is a well-known method for producing a uniform electric field. Simultaneously with the electric field, a current Ix is passed through the

coils

52a and 52c of the magnetic deflector 52 to create a magnetic field Bx in a direction orthogonal to the electric field Ex as shown. The electric field Ex and the magnetic field Bx work to cancel the deflection with respect to the secondary electrons coming from below and to strengthen the primary electrons from above.
[0074]
The deflection θ (S) for the secondary electrons coming from below is the difference between the deflection θ (B) due to the magnetic field and the deflection θ (E) due to the electric field as shown in the following equation.
[0075]

Here, L is the working distance between the electric field and the magnetic field, e and m are the charge and mass of the electrons, respectively, and Vr is the acceleration voltage when the secondary electrons pass through the scanning deflector. If the ratio of Ex and Bx is expressed by the following equation, secondary electrons coming from below will not be deflected.
[0076]
Bx / Ex = (2 m / e) 1/2 / 8Vr1 / 2
On the other hand, regarding the deflection of the primary electrons, the electric field deflection is added to the magnetic field deflection, and the following equation is obtained. In the equation, Vo is an electron gun acceleration voltage.
[0077]

Accordingly, the deflection angle θ (o) under the condition where the secondary electrons are not deflected is expressed by the following equation.
[0078]
θ (o) = (e / 2m) 1 / 2BxL {1+ (Vr / Vo) 1/2} / Vo1 / 2
So far, the deflection in the x-axis direction has been described. The deflection in the y-axis direction is performed in the same manner. That is, the potential of the electrode 51c is Vy, the potential of the

electrodes

51b and 51d is Vy / 21/2, the potential of the electrode 51g is -Vy, the potential of the electrodes 51f and 51h is -Vy / 21/2, An axial deflection electric field Ey is generated. At the same time, a current Iy is passed through the

coils

52b and 52d of the magnetic deflector to generate a magnetic field By orthogonal to the electric field Ey. As described above, the electric field Ey and the magnetic field By are sized so as to cancel the deflection with respect to the secondary electrons coming from below and to strengthen the primary electrons coming from above.
[0079]
Actually, a combination of deflection in the x-axis direction and deflection in the y-axis direction is performed. Accordingly, the potential of each deflection electrode is the sum of the deflection potential in the x-axis direction and the deflection potential in the y-axis direction, as shown in FIG. In an actual apparatus, this deflector has two stages of an upper scanning deflector and a lower scanning deflector so that the deflected primary electrons pass through the center of the objective lens. Then, the scanning of the desired primary electron beam is realized on the sample by changing the potentials Vx and Vy of the deflection electrode and the deflection coil currents Ix and Iy with time while maintaining the above relationship.
[0080]
Next, the relationship between the lens center of the magnetic field type objective lens and the lens center of the electrostatic lens formed between the acceleration cylinder and the sample will be described. FIG. 15A is a diagram for explaining a problem when the center CB of the magnetic field objective lens 8 and the center CE of the electrostatic lens formed between the acceleration cylinder 9 and the sample 12 do not match. In this case, the post-accelerated primary electron beam 11 is deflected so as to pass through the center CB of the magnetic lens, but passes with a distance d from the center CE of the electrostatic lens. When the shift amount d increases, spherical aberration is added to the lens action of the electrostatic lens, and the scanned image is distorted.
[0081]
FIG. 15B shows an example in which the lens center CB of the magnetic field type objective lens 8 and the lens center CE of the electrostatic lens formed between the acceleration cylinder 9 and the sample 12 are matched. In this embodiment, the upper magnetic pole 53 of the objective lens 8 is projected so as to face the sample 12, and a magnetic field is created between the sample 12 on which the electrostatic lens is formed and the accelerating cylinder 9, thereby matching the centers of both lenses. It has been made. As a result, since the post-accelerated primary electron beam 11 is not subjected to the lens action of the electrostatic lens, a scan image without distortion could be obtained.
[0082]
FIG. 16 shows the structure of the objective lens 8 that more effectively realizes the coincidence of the centers of the magnetic lens and the electrostatic lens. In the embodiment shown so far, the acceleration cylinder 9 is inserted into the electron beam path of the objective lens 8. In this case, if the axial centers of the electrostatic lens formed by the acceleration cylinder and the magnetic lens formed by the objective lens are deviated, the resolution is lowered. Therefore, it is necessary to accurately match the mechanical centers of the two. This embodiment pays attention to this point, and the upper magnetic pole 53 of the objective lens 8 protrudes to the end level of the lower magnetic pole 54 and faces the sample 12. Further, the upper magnetic pole 53 is electrically insulated from the remainder of the objective lens by the insulating plate 55, and the post acceleration voltage 10 is applied thereto.
[0083]
According to the present embodiment, since the upper magnetic pole that determines the lens center of the objective lens 8 and the post-acceleration electrode are shared, the above-described deviation between the electrostatic lens and the magnetic lens does not occur. In addition, since the upper magnetic pole 53 of the magnetic lens directly faces the sample 12 and a subsequent acceleration voltage is applied thereto, not only the axial center but also the positions of the electrostatic lens and the magnetic lens are matched. Can be made.
[0084]
【The invention's effect】
According to the present invention, the acceleration voltage of the primary electron beam when passing through the objective lens can be made higher than the final acceleration voltage, and the blurring of the beam due to the aberration generated in the objective lens can be reduced. Further, by providing a reflector in the electron beam path, secondary signals such as secondary electrons or reflected electrons, which have been difficult until now, can be detected efficiently.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of an embodiment in which a reflector is used for detecting a secondary signal.
FIG. 3 is an explanatory diagram of an embodiment in which a reflector is used for detecting a secondary signal, and further, deflection of primary electrons is prevented using an electric field and a magnetic field orthogonal to the attraction of secondary electrons.
FIG. 4 is a schematic view of an embodiment in which a secondary signal detector is placed above a scanning deflector.
FIG. 5 is a schematic view of an embodiment in which secondary signal detectors are provided at two locations above and below the scanning deflector.
FIG. 6 is an explanatory diagram of an embodiment in which a channel plate is used for detecting a secondary signal.
FIG. 7 is an explanatory diagram of an embodiment in which a scintillator is used for detecting a secondary signal.
FIG. 8 is a schematic view of an embodiment in which the electric field strength applied to the sample is controlled.
FIG. 9 is a diagram showing an example of an embodiment in which a control electrode is provided on a sample.
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a charged particle microscope including a control electrode.
FIG. 11 is a diagram showing another example of a charged particle microscope including a control electrode.
FIG. 12 is a diagram showing an example of a charged particle microscope in which a control electrode is formed along the sample chamber inner surface.
FIG. 13 is a diagram showing an example in which a part of the objective lens magnetic path is used as a control electrode;
FIG. 14 is an explanatory diagram of an embodiment in which a scanning deflector is a combination of an electric field and a magnetic field.
FIG. 15 is an explanatory diagram of an embodiment in which the lens centers of a magnetic lens and an electrostatic lens are made to coincide.
FIG. 16 is an explanatory diagram of an embodiment in which a magnetic pole of a magnetic lens and an acceleration cylinder are shared.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Field emission cathode, 2 ... Extraction electrode, 3 ... Extraction voltage, 4 ... Emission electron, 5 ... Anode, 6 ... Electron gun acceleration voltage, 7 ... Primary electron beam which passed the

anode

5, 8 ... Objective lens, 9 ... Accelerating cylinder, 10 ... latter stage acceleration voltage, 11 ... latter stage accelerated primary electron beam, 12 ... sample, 13 ... superimposed voltage, 14 ... condenser lens, 15 ... upper scanning deflector, 16 ... lower scanning deflector, 17 ... deceleration Electric field, 18 ... Aperture, 19 ... Adjustment knob, 20 ... Sample holder, 21 ... Insulating base, 22 ... Sample stage, 23 ... Secondary electron, 24 ... Suction electrode, 25 ... Scintillator, 26 ... Light guide, 27 ... Photoelectron amplification Tube: 28 ... Center hole, 29 ... Reflector plate, 30 ... Secondary electrons made of reflector plate, 31 ... Electric field deflection electrode, 32 ... Orthogonal magnetic field deflection coil, 33 ... Upper detector, 34 ... Lower detector, 35 ... Channel plate body, 36 Control electrode, 37 ... mesh, 39 ... amplified electron, 40 ... anode voltage, 41 ... anode, 42 ... amplifier, 43 ... light conversion circuit, 44 ... light signal, 45 ... electric conversion circuit, 46 ... single crystal scintillator, 47 ... opening, 48 ... conductive coating, 49 ... secondary electron crossover, 50 ... control voltage, 51a-51h ... electrostatic deflection electrode, 52a-52d ... magnetic field deflection coil, 53 ... upper magnetic pole, 54 ... lower magnetic pole 55 ... Insulating plate.

Claims

An electron source, an operation deflector that scans the sample with a primary electron beam generated from the electron source, an objective lens that converges the primary electron beam, and a secondary signal generated from the sample by irradiation of the primary electron beam are detected. In an operational electron microscope that includes a secondary signal detector and obtains a two-dimensional scanned image of a sample,
A means for applying a subsequent acceleration voltage of the primary electron beam to an acceleration cylinder disposed in the electron beam path of the objective lens; and a means for applying a negative potential to the sample. The primary electron beam is provided between the acceleration cylinder and the sample. A deceleration electric field is formed, the secondary signal detector is disposed at a position closer to the electron source than the acceleration cylinder , and a ratio of the post- acceleration voltage and an acceleration voltage applied to the electron gun of the electron source, and the sample A scanning electron microscope characterized by controlling the ratio between a negative potential applied to the electron gun and an acceleration voltage applied to the electron gun .

The secondary signal detector includes a conductive reflector having an aperture through which a primary electron beam passes, a suction unit that sucks secondary electrons generated by the reflector, and a detection unit that detects sucked secondary electrons. The scanning electron microscope according to claim 1, comprising:

3. The scanning electron microscope according to claim 2, wherein the attraction means is made of an electric field and a magnetic field perpendicular to the electric field, and cancels deflection of the primary electron beam caused by the electric field by the magnetic field.

The scanning electron microscope according to claim 1, wherein the secondary signal detector is a multi-channel plate having an aperture through which a primary electron beam passes.

2. The scanning electron according to claim 1, wherein the secondary electron detector includes a phosphor having an aperture through which a primary electron beam passes and a photodetector that detects light emission of the phosphor. microscope.

The scanning electron microscope according to claim 1, wherein the secondary signal detector is provided between the acceleration cylinder and the scanning deflector.

The scanning electron microscope according to claim 1, wherein the secondary signal detector is provided between the scanning deflector and the electron source.

A first secondary signal detector is provided between the acceleration cylinder and the scanning deflector, and a second secondary signal detector is provided between the scanning deflector and the electron source. The scanning electron microscope according to any one of claims 1 to 5.

The scan image is formed by using a detection signal of the first or second secondary signal detector or by calculating a detection signal of the first and second secondary signal detectors. Item 9. A scanning electron microscope according to Item 8.

The selection of whether to use the detection signal of the first or second secondary signal detector alone or to calculate and use the detection signal of the first and second secondary signal detectors is a scanning image magnification. The scanning electron microscope according to claim 9, wherein the scanning electron microscope is selected automatically according to observation conditions given in advance.

The scanning deflector is a combination of electrostatic deflection and magnetic field deflection, and is adjusted to give the desired deflection to the primary electron beam but not to the secondary signal sucked from the sample side. The scanning electron microscope according to claim 1, wherein the scanning electron microscope is provided.

The lens center created by the magnetic field of the objective lens and the lens center of the electrostatic lens formed between the acceleration cylinder and the sample coincide with each other. Scanning electron microscope.