JP5899299B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線装置に係り、特にエネルギーフィルタを通して、特定のエネルギーを持つ荷電粒子を選択的に検出することができる荷電粒子線装置に関する。

荷電粒子線装置の１つである走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）は、微細な対象物に対し、細く絞った電子ビームを走査することによって、試料から二次電子等を放出させ、当該二次電子等に基づいて、微細な対象物の観察，検査、或いは測定等を行う装置である。ＳＥＭのエネルギーフィルタは、複数の電極によって構成され、当該複数の電極間に、試料から放出される二次電子等の通過を制限する電界を形成することによって、特定のエネルギーを持つ電子を選択的に検出するために用いられる。特許文献１には、試料から放出された電子をウィーンフィルタによって、光軸から離軸させ当該電子を、エネルギーフィルタを経由して、検出器に導くことが説明されている。また、特許文献２には、試料から放出される電子の軌道を集束する集束素子を設け、軌道修正を行うことによって、二次電子の高効率検出を実現する走査電子顕微鏡が開示されている。更に、特許文献３には、対物レンズに、試料から放出される粒子を減速させるポテンシャル障壁を形成する減速電界電極装置が開示されている。

特表２００２−５２４８２７号公報（対応米国特許ＵＳＰ６,０６６,８４９） ＷＯ２０１０／０２４１０５ 特開２００１−１６７７２５号公報（対応ヨーロッパ特許公開公報ＥＰ１１００１１２Ａ１）

エネルギーフィルタは、所定値以上のエネルギーを持つ電子を選択的に通過させるためのものであり、或る特定のエネルギー、或いは特定のエネルギー幅の電子が持つ固有の信号情報を取得するためのものである。例えば、低損失（Ｌｏｗ ｌｏｓｓ）の後方散乱電子（Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ：ＢＳＥ）を選択的に検出する場合には、エネルギーフィルタを構成するメッシュ電極に、二次電子（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ：ＳＥ）が持つエネルギーより、僅かに大きい電圧（負電圧）を印加することによって、試料から放出される電子に多く含まれる二次電子等の検出器への到達を制限する。

一方、エネルギーフィルタは、通常、電子の通過を許容する複数の開口が設けられた複数のメッシュ電極によって構成されているが、その入射方向によっては、エネルギーフィルタのエネルギー分解能が変化することが、発明者らの検討によって明らかになった。

例えば、エネルギーフィルタを構成する板状のメッシュ電極に対し、当該板状体の板状面の垂直方向に近い方向から入射する電子と、板状面に対し鋭角方向から入射する電子を比較すると、後者の電子は、エネルギーフィルタが形成する電界の等電位面に対して斜めの方向から入射することになる。このような入射方向の違いによって、エネルギーフィルタのエネルギー分解能が変動する場合がある。エネルギー分解能とは、エネルギーフィルタの設定条件に対する実際のエネルギーフィルタの性能のばらつきを示す指標である。例えばエネルギーフィルタ電位Ｖｆに対し、実際にエネルギーフィルタを通過する電子のエネルギーの最大値がＶｆ＋αであれば、当該エネルギーフィルタは、＋α分、余分な電子を通過させていることになる。一方、Ｖｆ−αであれば、本来通過させるべき電子を通過させていないことになる。

以上のように、エネルギーフィルタは、電子の入射方向によって、エネルギー分解能が変化し、その入射方向によっては、目的とする観察，検査、或いは測定等が困難になる場合がある。特許文献１〜３には、このようなエネルギーフィルタのエネルギー分解能の向上法について何も説明されていない。

以下に、エネルギーフィルタのエネルギー分解能の向上、或いは維持を目的とした荷電粒子線装置について、説明する。

上記目的を達成するための一態様として、荷電粒子源と、試料に対する当該荷電粒子源から放出されるビームの照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、前記試料から放出される荷電粒子をエネルギーフィルタリングするエネルギーフィルタを備えた荷電粒子線装置であって、前記試料から放出された荷電粒子を、前記荷電粒子ビームの光軸から離間させるように偏向する第１の偏向素子と、当該第１の偏向素子によって偏向された前記荷電粒子を更に偏向する第２の偏向素子を備えた荷電粒子線装置を提案する。

また、上記目的を達成するための他の態様として、荷電粒子源と、試料に対する当該荷電粒子源から放出されるビームの照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、前記試料から放出される荷電粒子をエネルギーフィルタリングするエネルギーフィルタを備えた荷電粒子線装置であって、前記試料から放出された荷電粒子を、前記荷電粒子ビームの光軸から離間させるように偏向する第１の偏向素子を備え、前記エネルギーフィルタは、それぞれ異なる電圧の印加が可能な複数の環状電極が配列された第１のフィルタ電極を含む荷電粒子線装置を提案する。

以上のような構成によれば、エネルギーフィルタのエネルギー分解能を向上させることができる。

荷電粒子線装置の概略を示す図。 信号検出系の詳細を示す図。 反射板（変換電極）を用いた信号検出系の詳細を示す図。 信号検出系の詳細を示す図。 反射板を用いた信号検出系の詳細を示す図。 電極を複数枚で構成し、反射板を用いた信号検出系の詳細を示す図。 電極を複数枚で構成した信号検出系の詳細を示す図。 電極を通過した信号（電子）の軌道を示す図。 電極を複数枚で構成した信号検出系の詳細を示す図。 電極を環状に構成した信号検出系の詳細を示す図。 環状電極を通過する信号の軌道を示す図。 環状電極を通過する信号の軌道を示す図。 信号検出系の詳細を示す図。 試料から放出された電子を集束する集束素子を備えたＳＥＭの一例を示す図。 試料から放出された電子を集束する集束素子の集束条件を変化させたときの輝度値と、分解能評価指標の推移を示す図。 ＳＥＭ内の光学条件を変化させたときの輝度値の推移を示す図。 エネルギーフィルタの分解能評価に基づいて、直交電磁界発生器の偏向条件を設定する工程を示すフローチャート。 ２つの部位の輝度差を演算する工程を示すフローチャート。 エネルギーフィルタリングが適正に行われたときと、行われなかったときの２つの部位の輝度差の変化を示す図。 ＳＥＭを含む測定、検査システムの概要を示す図。 輝度値の変化と、分解能評価指標の変化を求めることによって、集束電極への印加電圧を選択する工程を示すフローチャート。 エネルギーフィルタへの印加電圧の変化に対する輝度値の変化を示す図。 電子光学系の一例を示す図。 直交電磁界発生器による偏向と、エネルギーフィルタへの電子の入射方向の関係を示す図。 エネルギーフィルタへの電子の入射方向と、エネルギー分解能との関係を示すグラフ。 エネルギー分解能を測定する工程を示すフローチャート。 入射電子のエネルギーと、最適エネルギー分解能との関係を示すグラフ。 直交電磁界発生器への印加電圧と、情報信号エネルギーとの関係を示すグラフ。 エネルギーフィルタの分解能評価に基づいて、直交電磁界発生器の偏向条件を設定する工程を示すフローチャート。 直交電磁界発生器の電界と磁界の関係を説明する図。 直交電磁界発生器によって偏向された電子を集束する集束レンズを備えたＳＥＭの検出系を示す図。 集束レンズ強度と、輝度値との関係を示す図。 電子の検出効率を向上するためのレンズ条件を選択する工程を示すフローチャート。 エネルギーフィルタのエネルギー分解能を向上するためのレンズ条件を選択する工程を示すフローチャート。 エネルギーフィルタの形状，収差、及びエネルギー分解能の関係を説明する図。

以下の説明は、荷電粒子線装置に係り、特に荷電粒子ビームの照射に基づいて得られる情報を弁別する装置に関する。

荷電粒子線装置には、走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）や、集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）装置がある。また、ＳＥＭを特定の目的に特化した装置として、測長用電子顕微鏡（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ−ＳＥＭ：ＣＤ−ＳＥＭ）や、上流の検査装置にて得られた欠陥，異物、或いは測長値異常パターンを、更に詳細に観察し、分析するレビュー用電子顕微鏡（レビューＳＥＭ）がある。

これらの装置を用いて観察，測定、或いは検査を行う場合、試料からの情報信号を効率良く検出器で検出する必要がある。情報信号が多いことで画質が向上し、それはスループットの向上につながる。しかし、検出率を向上させるために検出器を光軸に近づけたり、情報信号を効率良く検出器まで導入するために検出器に電圧を印加することは、１次ビームへの影響が避けられない。また、これからは見たいもの、つまり検出したいものに応じて情報信号を弁別し、有効な情報のみを抽出することも観察および検査には必要になる。

このように有効な情報を選択的に抽出する装置として、エネルギーフィルタがある。エネルギーフィルタは、試料から放出される荷電粒子の内、特定のエネルギーを持つものを選択的に通過させる装置であり、例えば所望のエネルギーの荷電粒子を検出する場合には、当該エネルギーより低いエネルギーを持つ荷電粒子の通過を制限するための電界を発生する装置である。エネルギーフィルタは例えば、複数のメッシュ電極によって構成され、当該電極への印加電圧を制御することによって、所望の電界を形成する。

一方、このようなエネルギーフィルタは、荷電粒子の入射方向によって、その性能が変化する。即ち、入射方向を適正に設定することができれば、高い性能を発揮することができる。ここで言う性能とはエネルギー分解能のことである。エネルギーフィルタは、入射しようとする電子等に対し、当該電子を追い返すような電界を形成することによって、入射する電子をエネルギー弁別する装置である。このような電界の等電位面に対する電子の入射方向（角度）によっては、フィルタリングされる電子のエネルギーが変化する可能性がある。例えば等電位面に対し、鋭角な方向から入射する電子は、入射方向とは異なる方向から偏向作用を受けるため、等電位面に対して垂直に入射する電子と比較して、エネルギーフィルタを通過することができる電子のエネルギーの上限が低下する可能性がある。

図２２は、横軸をエネルギーフィルタに印加する電圧、縦軸をビームの照射部の輝度を示すグラフの一例を示す図であり、第１の方向からエネルギーフィルタに入射する電子を三角で表現し、第２の方向からエネルギーフィルタに入射する電子を丸で表現している。エネルギーフィルタへの印加電圧を徐々に弱めていく（図２２の右方向に向かうように）と、検出器によって検出される電子量が増大する。このとき印加電圧Ｖｆ〔Ｖ〕の変化に対し、輝度が急激に変化する方が、エネルギーフィルタのエネルギー分解能が高いと言える。図２２の例では、２つの輝度閾値（Ｔｈ（ｕ）とＴｈ（ｌ））間の輝度変化を生じさせるＶｆの変化量が、第１の方向の電子がΔＶｆ1であり、第２の方向の電子がΔＶｆ2である。即ち、図２２の例では、第１の方向から入射する電子の方が、第２の方向から入射する電子に対し、エネルギー分解能が高い状態でエネルギーフィルタリングされる。このようにΔＶｆが小さくなるような装置条件を見出すことによって、入射すべき電子と、入射を制限すべき電子を明確に分離することのできるエネルギー分解能の高いエネルギーフィルタ条件を見出すことができる。

以下、図面を参照してエネルギーフィルタを備えた荷電粒子線装置の一態様であるＳＥＭの概要について説明する。図１は荷電粒子線装置の一例であるＳＥＭの概要を示す図である。なお、以下の説明では走査電子顕微鏡を例にとって説明するが、それに限られることはなく、以下に紹介する実施例は、他の荷電粒子線装置にも、適用が可能である。

試料からの情報信号を効率良く検出器へ導入する際に、検出器に電圧を印加して、情報信号を導入するための吸引電界を発生させることは一般的である。検出効率を向上させるには、その印加電圧を上げるか、検出器を光軸に近づけるかして、吸引電界を強くする方法がとられている。その反面、吸引電界が１次ビームにもおよぼす影響が問題になっている。その影響とは例えば１次ビームの軸ズレ，非点などの収差の発生の要因になる。つまり、情報信号を効率良く検出できるよう、電界を強くすればするほど１次ビームへの影響が大きくなるといったトレードオフの関係にある。

よって、試料から発生した情報信号検出する検出器の吸引電界の影響を少なくし、情報信号を効率良く検出するような検出系を採用することが望ましい。

よって、以下の実施例ではエネルギーフィルタの一態様として、検出器の吸引電界が１次ビームへ影響を及ぼさないようにシールドを配置する例を説明する。また、シールドを複数枚重ねて配置し、いずれかのシールドに電圧を印加することで、試料からの、あるエネルギーを持った信号および試料からの放出角度によって弁別する構成、或いはその他、エネルギー弁別に適した荷電粒子線装置を説明する。

電子銃１は、電子源２，引出電極３、及び加速電極４から構成される。電子源２と引出電極３との間には、引出電圧Ｖ１が印加され、これによって、電子源２から電子ビーム３６が引き出される。加速電極４はアース電位に維持され、加速電極４と電子源２との間には、加速電圧Ｖ０が印加される。したがって電子ビーム３６は、この加速電圧Ｖ０によって加速される。

加速された電子ビーム３６は、絞り１５によって不要な領域を除去され、レンズ制御電源５に接続された集束レンズ７および集束レンズ８によって集束される。更に対物レンズ９によって、試料ステージ１２上の半導体ウェハ等の試料１３に集束される。

試料ステージ１２は、ステージ駆動装置２３により、少なくとも水平移動可能である。試料１３は集束された電子ビーム３６によって照射され、走査信号発生器２４に接続された偏向器１６ａ，１６ｂによって走査される。このとき非点収差補正器４０は非点収差補正制御部４５で制御される。電子ビーム３６の照射によって試料１３から放出される情報信号３３（二次電子、及び／又は後方散乱電子等）は、直交電磁界偏向器２０で偏向され、検出器２１によって検出される。検出された情報信号３３は、ＣＲＴ等の像表示装置３２の輝度変調信号とすることで、像表示装置３２に試料１３の拡大像が表示される。図示はしていないが、以上の構成が電子ビームを照射するのに適した真空容器内に収納される。レンズ制御電源５，走査信号発生器２４，非点収差補正制御部４１は、制御部３１に接続されている。また、直交電磁界偏向器２０は、制御部３１からの指示により、直交電磁界制御部５０によって制御される。なお、直交電磁界偏向器２０は、情報信号３３を検出器２１側に偏向する電界を発生する電極と、当該電界に直交するように、磁界を発生するための磁極を含み、当該磁界は電界によるビームの偏向作用を相殺するように、ビームを偏向する。

図２は直交電磁界偏向器２０から検出器２１までを詳細にした一例である。光軸４３上に、電子ビーム３６が検出器２１の、電界制御部６によって印加された電圧によって発生する電界の影響を受けないようシールドするための電極１７を配置した。例では電極１７は回転対象の円錐型で、情報信号３３が通過しやすいようにメッシュ状になっている。

情報信号３３は検出器２１に直接検出できるよう直交電磁界偏向器２０で偏向するが、偏向する際に発生する収差の影響を少なくするため、情報信号３３の偏向量を小さくする場合もある。そのときは図３に示すように、情報信号３３をいったん反射板として利用する電極（反射板）１８に照射し、電極（反射板）１８から発生する第２の情報信号３４を検出器２１の吸引電界で検出器２１まで導引することも可能である。

電極１７は、電極（反射板）１８に極接近させるか、または接するよう配置することで、検出器２１からの電界が光軸４３へ染み出しにくくなり、つまり電子ビーム３６が検出器２１の電界の影響を受けにくくなる。よって、電子ビーム３６は軸ずれや収差の発生を抑制できる。

通常、電極１７はアース電位であるが、図４に示すように電極１７に電圧を印加して、試料１３からの情報信号３３のうち、ある信号だけをフィルターをすることも可能である。この構成においては、試料１３から発生する情報信号３３のうち、検出したくないエネルギーに対してフィルターをすることで、情報信号３３の弁別が可能になり、抽出したいエネルギーをもった情報信号３３だけで、画像を形成することが可能になる。つまり、偏向器１６で試料１３を走査しながら、電極１７に印加する電圧を可変すれば異なるエネルギーで形成された画像を取得することが可能になる。

また、電極１７に印加する電圧は電圧制御部１９を介して、制御部２２で制御される。制御部２２は試料１３に印加する電圧を制御する可変減速電源１４にリンクして、電圧制御部１９を制御することになる。例えば試料１３に印加する電圧をＶｒとし、フィルターしたい情報信号３３のエネルギーをｅとすると電極１７に印加する電圧Ｖｔは次の（１）式で制御される。

試料１３に印加する電圧Ｖｒが１ｋＶで、フィルターしたい情報信号３３のエネルギーが１００ｅＶであれば、電極１７に印加する電圧Ｖｔは１.１ｋＶに設定すればよい。

図５は電極（反射板）１８に情報信号３３を照射し、電極１８から発生した第２の情報信号３４を検出器２１で検出する例である。制御に関しては図４と同様に制御する。

図６は電極１７を複数枚で構成した一例である。例として、３枚で構成した場合を図６に示す。電極１７は基本的にはアース電位となる電極２５と電極２６で挟んで複合化電極とする。図４および図５と違い、電極１７の電界は、アース電位である電極２５と電極２６によって抑制される。そのため、電極１７の電界が強い場合に発生する問題が解決可能になる。例えば電界が強いと無視できないレンズ作用が発生し、１次ビームの収差となりビームがぼけてしまうといった問題が発生する。また検出器２１の吸引電界と干渉し、情報信号３３および情報信号３４の軌道を変化させてしまう。

図７は複合化電極を通過した情報信号３３を電極１８に照射せずに、検出器２１で直接検出する例を示す。図８に示すように、複合化電極を通過する情報信号３３は、電極内のレンズ作用を受けて情報信号３３のエネルギーや電極１７への入射角度によって、その軌道が変化する。つまり情報信号３３は電極（反射板）１８に照射されるときに広がりを持って照射される。その照射領域４４は情報信号３３のエネルギーや、電極１７に印加された電圧によって大きく変化する。さらにその電極（反射板）１８から発生する第２の情報信号３４も様々な角度やエネルギーを持って出射するため、照射領域４４が大きいと、その照射領域４４から発生したすべての第２の情報信号３４を検出器２１で検出するのは困難になる。よって、図７に示すように電極（反射板）１８に照射することなく、直接、情報信号３３と検出する方法が有効である。

図９は検出器２１の吸引電界を均一にするように、電極（反射板）１８を円錐型にしたものである。この形状は電極１８をつかって間接的に情報信号３４を検出する場合でも、情報信号３３を直接、検出する場合でも両方に適用可能である。

図１０は電極１７を環状にして複数の環状で構成され、各々の環に電圧を印加することで試料１３からの情報信号３３を弁別することが可能になる。図１１は複数の環状電極１７の一例である。例えば図１１では６つの環状で構成され、各々の環状に電圧制御部ａ〜ｆで印加電圧を制御する。一例では電圧制御部１９ａ，１９ｂ，１９ｅ，１９ｆにあるエネルギーの情報信号３３をフィルターする電圧を印加し、電圧制御部１９ｃ，１９ｄは情報信号３３が通過可能な電圧、またはアース電位とする。

また、情報信号３３は試料１３からの出射角度によって軌道が違うため、図１１のような構成であれば、軌道の違いによる情報信号３３の弁別も可能である。

図１２のように、試料１３からの情報信号３３が大きく広がって電極１７に入射する場合、検出器２１を複数個設けて検出することも可能である。例えば直交電磁界偏向器２０を動作させずに、試料１３から出射した情報信号３３を電極１７で弁別することも可能で、この場合は直交電磁界偏向器２０を動作させた場合の収差の発生を抑制することができ、高分解能のまま信号弁別が可能になる。また図で示していないが、図９のような直接、情報信号３３を検出する場合も有効である。

図１３は電極（反射板）１８を傾斜させて、更に検出器２１にも角度を持たせ、電極１８から発生する情報信号３４を効率良くする構成例である。

なお、図２等に例示するエネルギーフィルタの断面形状（電子ビーム通路の垂直方向から見た形状）は、電子ビーム通路に近づくに従って、徐々に電極１８との間隔が狭くなるように形成されている。また、電子ビーム通路を中心軸とした軸対称に形成されている。

エネルギーフィルタを試料と平行に設置した場合、情報信号はＥＸＢで偏向され、エネルギーフィルタに入射角度θでもって入射する（図３５（ａ））。角度θに依存してエネルギー分解能が悪くなるので図３５（ｂ）のように、エネルギーフィルタに垂直入射するために新たにＥＸＢ（２０ｂ）を設置する方法もあるが、制御が複雑になる。もちろん、ＥＸＢを動作させるときに発生する収差はさけられない。

よって、図３５（ｃ）のように、フィルターを傾斜させてＥＸＢによる曲げ角θを最小限にする。これにより、ＥＸＢを動作させることで発生する収差を抑制することが可能になる。

また、図６等に例示するように、接地電位である電極２６と、電極１８（検出器の検出面でも良い）の成す角が、鋭角となるようにメッシュ電極を構成することによって、図３５（ａ），（ｂ）に例示するような光軸方向に長い筒状電極３５１を設置することなく、電極１７に印加される電圧によって形成される電界のビームに対する影響を抑制することが可能となる。

筒状電極３１５の内側には、通過する電子の衝突によって、コンタミネーションが付着する場合があり、このコンタミネーションに電荷が蓄積すると、筒状電極が偏向作用を持つ場合がある。筒状電極の長さが長い程、コンタミネーションが付着する可能性が増大するため、筒状電極の長さを可能な限り短くすることが望ましい。一方で、コンタミネーションの付着を防止すべく、筒状電極の径を大きくすると、その分、電極１８が、光軸より離間することになり、結果として直交電磁界発生器（ＥＸＢ）による偏向角を大きく設定する必要がある。また、筒状電極が僅かでも光軸に対して斜めに形成されていると、ビーム軌道に影響を与える可能性もある。

図６等に例示するエネルギーフィルタによれば、筒状電極に換えて、電極２６と電極１８によって負電圧が印加される電極１７を包囲するような構成（即ち、電極２６の端部と電極１８の端部を接続し、２つの電極の成す角が鋭角となるようにする）することによって、筒状電極がビームにもたらす影響を抑制することが可能となる。

なお、図６の例では、エネルギーフィルタを構成する電極２６等は、ビーム光軸に交差する仮想直線に沿って形成されているが、エネルギーフィルタの分解能をより高めるためには、直交電磁界偏向器２０の偏向支点からの距離ｒ上に電極２６が配置されることが望ましい。即ち、直交電磁界偏向器２０の偏向支点を中心とした半径ｒの円に平行に、電極２６が形成されることが望ましい。

このような構成によれば、偏向支点と電極を結ぶ直線が、電極２６の法線となるため、直交電磁界偏向器２０の偏向角によらず、高い分解能のエネルギーフィルタリングを行うことが可能となる。

図２０は、ＳＥＭを含む測定、或いは検査システムの詳細説明図である。本システムには、ＳＥＭ本体２００１，当該ＳＥＭ本体の制御装置２００２、及び演算処理装置２００３が含まれている。図１の制御部３１及び当該制御部３１によって制御される各制御装置は、制御装置２００２に相当する。

演算処理装置２００３には、制御装置２００２に所定の制御信号を供給する光学条件設定部２００４、得された画像情報や、レシピ情報を記憶するメモリ２００５、及びＳＥＭによって得られた検出信号を処理する入力信号演算部２００６が内蔵されている。

更に演算処理装置２００３は、入力手段を備えた入力装置２００７と接続されている。入力装置２００７に設けられた表示装置には、操作者に対して画像や検査結果等を表示するＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）等が表示される。

試料から放出された電子は、検出器２１にて捕捉され、制御装置２００２に内蔵されたＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換される。演算処理装置２００３に内蔵されるＣＰＵ，ＡＳＩＣ，ＦＰＧＡ等の画像処理ハードウェアによって、目的に応じた画像処理が行われる。入力信号演算部２００７には、ＳＥＭによって得られた検出信号を二次元的に配列して二次元像を形成する画像形成部２００８，検出信号、或いは画像信号に基づいて試料上の位置に対する輝度の変化を示す波形を形成する信号波形形成部２００９、及び当該信号波形形成部２００９にて形成された信号波形を解析する信号解析部２０１０が内蔵されている。

なお、演算処理装置２００３における制御や処理の一部又は全てを、ＣＰＵや画像の蓄積が可能なメモリを搭載した電子計算機等に割り振って処理・制御することも可能である。本例の場合、図２０の制御装置２００２と演算処理装置２００３は、ＳＥＭ本体２００１を制御する制御システムとして機能する。

図２４に示すように、直交電磁界偏向器２０等の偏向条件によって、エネルギーフィルタを構成する電極１７，２５，２６への情報信号３３（例えば試料へのリターディング電圧の印加によって加速される二次電子や反射電子）の入射角度が変化し、図２５に例示するように、エネルギーフィルタの分解能は情報信号３３のフィルターへの入射角θ［°］に応じて変化する。メッシュ状電極の形成精度等に応じて変化する場合があるが、エネルギー分解能が最適値になるのは、エネルギーフィルタ部に情報信号３３が垂直に入射する条件である。よって直交電磁界偏向器２０で情報信号３３の偏向角θ［°］を制御して、エネルギーフィルタへ垂直に入射するか、または最適分解能になるように入射するように制御することが必要になる。

図２６に、エネルギー分解能が最良になるように直交電磁界偏向器２０を制御する場合のフローを示す。最初にエネルギー分解能の計測を行う。エネルギー分解能は、例えば図２７に示すように、情報信号３３のエネルギーに依存して最適エネルギー分解能が存在する。それに従って、計測されたエネルギー分解能がそれを満足しているかどうかを判定する。満足していれば、そのまま像観察または計測が開始される。満足していない場合は、直交電磁界偏向器２０で情報信号３３の偏向角θを偏向して、再度エネルギー分解能を計測する。それらを繰り返して、最適エネルギー分解能になるように直交電磁界偏向器２０で偏向角θを制御する。

直交電磁界偏向器２０の制御方法は、情報信号３３のエネルギーに依存して制御値を変化させる必要がある。図２８に情報信号エネルギーと直交電磁界偏向器２０の電圧の関係を示す。予め計算によって求められた式に従って、制御することも可能である。

以下に、演算処理装置２００３にて実行されるエネルギーフィルタの分解能評価指標の算出法を具体的に説明する。図２２を用いて説明したように、エネルギー分解能が高い程、高精度なフィルタリングを行うことができる。本実施例では、このようなエネルギー分解能の性能の優劣を示す値を、分解能評価指標として定義する。このような分解能評価指標の算出に基づく、直交電磁界発生器の制御法について、図２９のフローチャートを用いて説明する。

まず、光学条件設定部２００４によって、ＳＥＭの光学条件を設定する（ステップ２９０１）。ここで言う光学条件とは、電子ビームの加速電圧，試料に印加するリターディング電圧等、電子ビームを試料に対して照射する際の装置条件である。次に、設定された光学条件に応じて予めメモリ２００５に登録されている直交電磁界発生器の偏向条件を設定する（ステップ２９０２）。以上のような条件のもと、分解能評価を開始する。エネルギーフィルタに印加する電圧Ｖｆを変化させ、画像形成部２００８は、所定の電圧値ごとに、検出信号に基づいて画像を形成する（ステップ２９０３）。輝度演算部２０１１では、形成された画像に基づいて、画像の輝度（Ｇｒａｙ ｌｅｖｅｌ）を演算する（ステップ２９０４）。判定部２０１２では、得られた輝度情報に基づいて、ΔＶｆを演算し、当該ΔＶｆが所定の条件を満たしているか否かの判定を行う（ステップ２９０５）。

ここで、ΔＶｆは、図２２に例示されているように、所定の輝度変化量（Ｔｈ（ｕ）−Ｔｈ（ｌ））に対応するＶｆの変化量を求めることによって算出する。先述したように、この変化量が小さい程、エネルギーフィルタの分解能が高いと言える。よって、ΔＶｆ、或いはΔＶｆを所定の条件に基づいて正規化した評価値を、分解能評価指標として定義することができる。なお、輝度ＧとＶｆの相関曲線の傾き（ΔＧ／ΔＶｆ）の算出に基づいて、分解能評価指標を求めるようにしても良い。この場合、傾きが大きい程、分解能が高いと言える。

分解能評価指標が所定の条件を満たすと判断できる場合には、その偏向条件を直交電磁界発生器の偏向条件として設定し（ステップ２９０７）、所定の条件を満たさないと判断される場合には、直交電磁界発生器の設定値を変化させ（ステップ２９０６）、ステップ２９０２〜２９０５を繰り返すことによって、適正な偏向条件を選択する。なお、ΔＶｆが分解能評価指標である場合には、ΔＶｆが最小、或いは所定値未満である場合に、分解能評価指標が所定の条件を満たすものとして、偏向条件を選択すると良い。また、半導体パターンを測定するＳＥＭでは、常に安定した測定条件の設定が求められるため、例えばΔＶｆについて予め参照値を設定しておき、ΔＶｆが当該参照値となる偏向条件を選択するようにしても良い。

図２９に例示するようなプロセスに基づいて偏向条件を設定することによって、試料の帯電状態やその他の電子の軌道の変動要因によって変化する適正な偏向条件を見出すことが可能となる。

なお、図直交電磁界発生器の内、電界（Ｅ）による偏向量をｙとすると式（２）が成り立つ。

ｌｅ：静電偏向器のビーム光軸方向の寸法
ｄ：静電偏向器の電極間の距離
Ｌ１：偏向始点と、電子が偏向量ｙ分偏向される位置との距離
Ｖ_EXB：静電偏向器に印加する電圧

図３０（ａ）に例示するように、静電偏向器を形成する２枚の電極にはそれぞれ＋Ｖ_EXB，−Ｖ_EXBが印加され、負電荷を持つ電子は、＋Ｖ_EXBが印加された電極側に偏向される。電子の曲げ角θの式になおすと式（３）のようになる。

Ｖｏに相当するのは、（二次）情報信号エネルギーであり、曲げ角θが決まれば、電極にかける電圧±Ｖ_EXBが決まる。

また、図３０（ｂ）に例示するような直交電磁界発生器の磁界Ｂと偏向量ｙの式は（４）で表される。

曲げ角θの式になおすと式（５）のようになる。

ｍ：電子の質量（９.１０９１×１０^-31kg）
Ｂ：電子の電荷（１.６０２１×１０^-1
これらの式を解いて、１次ビームは偏向しないで二次信号（試料から放出される電子）のみ偏向する条件をみつける。

このような条件を、偏向角θごとに求めることによって、図３０（ｃ）に例示するような試料から放出される電子のエネルギーと、偏向器に与える電圧（電流）との関係を求めることができ、二次信号の偏向角に応じた１次ビームを偏向させない条件を見出すことが可能となる。このような条件は、メモリ２００５に登録され、直交電磁界発生器への制御信号として、光学条件設定部２００４によって設定される。

図２９の例では、複数の偏向角ごとに、分解能評価指標を求める際に、エネルギーフィルタに印加する電圧Ｖｆを変化させることによって、輝度とＶｆとの相関曲線（Ｓカーブ）を偏向角ごとに検出する例について説明したが、Ｓカーブを、光学条件を変化させることによって形成することも可能である。

なお、Ｖｆを変化させても電子ビーム（一次電子）の光学条件は変化しないため、光学条件を変えたくない場合には、Ｖｆを変化させることによって、エネルギー分解能を求めることが望ましい。一方で、光学条件（例えばリターディング電圧：Ｖｒ）を変化させたときに得られるＳカーブは、輝度−Ｖｒ相関曲線のグラフ上、試料に付着した帯電分、＋Ｖｒ、或いは−Ｖｒ側にシフトしたカーブとなる。即ち、帯電のないときのＳカーブが判っていれば、そのシフト量を求めることで、帯電量を計測することが可能となる。このような帯電量の計測に基づいて、Ｖ_EXBを求めることによって、適正な偏向強度を求めることが可能となる。この場合、予めメモリ２００５に基準Ｓカーブを登録しておき、信号解析部２０１０によって、シフト量を求め、光学条件設定部２００４によって、Ｖ_EXBを算出する。後述する実施例によれば、帯電量に応じた偏向量を求めることが可能となる。

例えば、図１６に例示するように、光学条件（例えば、電子ビームの加速電圧，試料に印加する負電圧（リターディング電圧）、或いはその両方）を変化させると、輝度値が推移する。例えば光学条件がリターディング電圧である場合、リターディング電圧を徐々に大きくしていくと、エネルギーフィルタを通過する電子の数が増えていくため、輝度値が増大する。

先に説明したように、この変化が急峻である程、エネルギー分解能が高い。よって、この条件を見出すための指標として、分解能評価指標を用いると良い。図１６の例では、所定の輝度変化量（Ｔｈ（ｕ）−Ｔｈ（ｌ））に対応するリターディング電圧の変化量（ΔＲ）、或いは当該評価量の指標値を、分解能評価指標としている。この評価指標に基づいて、エネルギーフィルタの高精度化、或いは高安定化を実現するＳＥＭの装置条件設定工程を図１７に例示するフローチャートを用いて説明する。

本例では、図２，図３等に例示する直交電磁界偏向器２０の偏向条件の適正化に基づいて、エネルギーフィルタのエネルギー分解能を向上、或いは安定化させる例について説明する。先ず、直交電磁界偏向器２０を所定の条件に設定する（ステップ１７０１）。この状態で所定の条件に光学条件（例えばリターディング電圧印加）を設定し（ステップ１７０２）、その際に試料から放出される電子を検出器２１にて検出することによって、画像を取得する（ステップ１７０３）。この画像から輝度情報を抽出し、メモリ２００５等の記憶媒体に記憶させる（ステップ１７０４）。このステップ１７０１〜ステップ１７０４の処理を複数のリターディング電圧印加条件ごとに実施することによって、図１６に例示するような光学条件と輝度条件との関係を求める（ステップ１７０５）。なお、本例では所定数の光学条件について輝度を求める例を説明しているが、ΔＲが検出された時点で輝度情報検出を停止するようにしても良い。

ステップ１７０１〜ステップ１７０５の処理を直交電磁界偏向器２０の複数の偏向条件について実施し（ステップ１７０６）、複数の偏向条件ごとにΔＲを取得し、当該複数のΔＲに基づいて、直交電磁界偏向器２０の偏向条件を設定する（ステップ１７０７）。ここで、エネルギーフィルタのエネルギー分解能を最も高い状態で用いる場合には、ΔＲが最も小さくなる偏向条件を選択すると良い。一方、半導体パターンを測定するＳＥＭでは、常に安定した測定条件の設定が求められるため、例えばΔＲについて予め参照値を設定しておき、ΔＲが当該参照値となる偏向条件を選択するようにしても良い。

また、図２９に例示するフローチャートでは、直交電磁界偏向器２０の偏向条件ごとに、ΔＶｆを求める例を、図１７に例示するフローチャートでは、直交電磁界偏向器２０の偏向条件毎に、ΔＲを求める例について説明したが、例えば図１９に例示するように、ＳＥＭの視野（Ｆｉｅｌｄ Ｏｆ Ｖｉｅｗ：ＦＯＶ）内に２種以上の材質からなる試料が含まれており、エネルギーフィルタリングが適正に行われれば、２種の材質間で明確にコントラストが現れるような場合に、両者間のコントラストに基づいて、適正な偏向条件を求めることも可能である。以下、その例について説明する。図１８は、画像のコントラストに基づいて、直交電磁界偏向器２０の偏向条件を求めるための工程を示すものである。本例では図２９のステップ２９０３〜ステップ２９０５に替えて、ステップ１８０１〜ステップ１８０４を適用する。

直交電磁界偏向器２０の偏向条件を所定の条件に設定した後、画像を取得し（ステップ１８０１）、材質Ａ（領域Ａ）と材質Ｂ（領域Ｂ）に跨る領域の最大輝度値と最小輝度値を検出する（ステップ１８０２）。このとき、エネルギーフィルタへの印加電圧が適切であり、且つ直交電磁界偏向器２０の偏向条件が適切なものであれば、図１９（ｂ）に例示するように、領域Ａと領域Ｂとの輝度差が明確になる。一方、直交電磁界偏向器２０の偏向条件が適切ではなく、エネルギー分解能が低下すると、エネルギーフィルタリングが適正に行われず、例えば図１９（ｃ）に例示するように、２つの領域のコントラストが低下し、輝度差が殆どない状態となる可能性がある。

そこで、本例では２つの領域の輝度差（Δｇ）を算出（ステップ１８０３）し、当該輝度差が最も大きい偏向条件、或いはΔｇが所定の条件を満たす偏向条件か否かを判定（ステップ１８０４）。ここで、Δｇが所定値以上、或いは所定条件を満たす場合には、直交電磁界発生器の制御が適正なものであるとして、当該偏向条件を選択する（ステップ２９０７）。また、所定条件を満たさない場合や所定の条件設定が終わっていない場合には、直交電磁界発生器の条件を新たに設定して、ステップ１８０１〜ステップ１８０４の処理を再実行する。選択された偏向条件は、装置条件としてメモリ２００５等に登録する。

以上のような構成によれば、２以上の領域間のコントラストを明確にすることによって、所望の測定対象の測定を行うような場合に、適切な偏向条件を選択することが可能となる。なお、輝度差が所定の条件を満たすか否かの判定は、例えば所定の閾値を超えるか否かの判定に基づいて、行うようにしても良いし、２つの輝度値の比が所定の値、或いは所定値未満、または以上となるかの判定に基づいて、行うようにしても良い。これらの輝度差や輝度比、或いはその指標値を分解能評価指標とすることによって、目的とする測定や検査を行うための装置条件を適正に評価することが可能となる。また、輝度変化が急峻なほど、分解能が高いと言えるため、例えば輝度変化を近似関数にてフィッティングし、傾斜の程度を求めることによって、分解能評価指標と定義しても良い。信号解析部２００９に含まれる輝度演算部２０１１や、判定部２０１２では、上述のような輝度演算や判定を実行する。

これまで、二次電子等を検出器に向かって偏向する偏向器（上述の実施例では直交電磁界偏向器２０）を、分解能評価指標に基づいて、設定する例を説明したが、以下に、試料から放出される電子を集束する集束素子を用いて、電子の軌道を偏向することによって、適正な装置条件を設定する例について説明する。図１４は、試料から放出された電子１４０６の軌道を示す図である。試料１３から放出された電子は、対物レンズによって集束され、クロスオーバ点１４０５を通過して、上方（電子源方向）に向かう。試料から放出された電子１４０６は、一部がエネルギーフィルタ１４０４を介して、検出器１４０３に向かうが、その他の電子は、検出器１４０３とは異なる方向に向かい、検出されない。本例では、検出される電子の検出効率を向上させると共に、高い検出効率を維持した状態で、高精度なエネルギーフィルタリングを行い得る装置構成について説明する。

図１４に例示するＳＥＭは、試料から放出される電子の軌道を偏向する偏向素子として、集束電極１４０２が設けられている。例えばこの集束電極１４０２に対し、レンズ制御電源５から電圧を印加することによって、軌道偏向後の電子１４０７のように、検出器１４０３に向かって電子を方向付けることができる。なお、検出器１４０３は、ＭＣＰ（Ｍｉｃｒｏ Ｃｈａｎｅｌ Ｐｌａｔｅ）検出器のような電子を直接的に検出する検出器であっても良いし、検出器１４０３を変換電極とし、当該変換電極から生じた二次電子を検出する検出器を別に設けるようにしても良い。

図１５は、集束電極への印加電圧を変化させたときの輝度値の変化と、分解能評価指標の変化を示す図である。また、図２１は当該輝度値の変化と、分解能評価指標の変化を求めることによって、集束電極１４０２への印加電圧を選択する工程を示すフローチャートである。本例では、集束電極１４０２への印加電圧ごとに、輝度値と分解能評価指標を求めることによって、２つのカーブを作成すると共に、２つの閾値（Ｔｈ（ｇ），Ｔｈ（ｒ））を設定し、２つのカーブのそれぞれの閾値を超えた印加電圧の範囲（Δｇ，Δｒ）を選択する（ステップ２１０１，２１０２）。本例では、ΔｇとΔｒの重畳領域（ΔＶ）に含まれる印加電圧を、集束電極１４０２への印加電極として選択する（ステップ２１０３）。Δｇの印加電圧領域は、検出される電子の量が所定値以上の領域であり、Δｒの印加電圧領域は、エネルギー分解能が高い領域である。このような２つの印加電圧領域の重畳領域に含まれる電圧を選択することによって、電子の高効率検出と、エネルギーフィルタのフィルタリングコンディションの適正化の両立が可能となる。以上のような処理は、信号解析部２０１０によって行われる。

図２３は、図１４とは異なり、対物レンズ１４０１が検出器１４０３との間にクロスオーバ点１４０５を作らない光学系を示す図である。このような光学系であっても、図１４の光学系と同様に、集束電極１４０２の適正な設定に基づいて、電子の高効率検出と、エネルギーフィルタのフィルタリングコンディションの適正化の両立が可能となる。

図３１は、直交電磁界偏向器２０によって、情報信号３３（二次電子等）をビーム（偏向を伴わない１次ビームの光軸：理想光軸）から、軸外に偏向すると共に、当該偏向軌道上にエネルギーフィルタと検出器２１を配置した検出系を用いたＳＥＭにて、電子の検出効率の向上を可能とする集束レンズを設けた例を示す図である。試料から放出され、直交電磁界偏向器２０によって、軸外に偏向された情報信号３３は、図３１に例示するように分散する。一方で、真空室内に配置される検出器の検出面の大きさは有限であるため、分散が大きいと、検出効率が低下する。

そこで、本実施例では、直交電磁界偏向器２０と検出器２５との間に、集束レンズを配置し、情報信号の軌道を制御することで、検出効率の向上を図る手法について説明する。図３１に例示するように、集束レンズ（例えば静電レンズ等）の集束作用がないと、理想光軸から離間するように試料から放出された電子の中には、検出器が存在する位置とは異なる方向に向かうものがある。このような電子を集束レンズの集束作用によって、検出器に向かって偏向すると、検出効率を向上することが可能となる。図３３は集束レンズの集束条件を決定する工程を示すフローチャートである。このフローチャートでは、ステップ３３０１にて設定されたレンズ強度ごとに画像を取得し（ステップ３３０２）、その画像から輝度情報を抽出し、その検出情報が所定の条件（例えば輝度値が最も高い、或いは所定値等）の場合に、その際のレンズ強度を装置条件として選択し、所定の条件を満たさない場合には、レンズ強度を再設定して、ステップ３３０１〜ステップ３３０４を繰り返す。ステップ３３０５では、図３２に例示するように、輝度値が最大値のときのレンズ強度（本例の場合、静電レンズに印加する電圧値）、或いは輝度値が所定値（本例の場合、輝度値がＴｈ（ｇ）以上）のレンズ強度をレンズ条件として選択する。

このような工程を経て、レンズ条件を決定することによって、高効率検出の可能な検出系光学条件を設定することが可能となる。

また、エネルギーフィルタリングを行って電子を検出する場合、検出効率が大きい程、良いというわけではない場合がある。例えば、集束レンズの強度を強くする（ビームの開き角を大きくする）と、エネルギーフィルタの電極面に対し、斜めの方向から電子が入射することになるため、エネルギー分解能が低下する可能性がある。そこで、所定の検出量を得ることのできるレンズ条件範囲の中から、エネルギー分解能の高いレンズ条件を見出す手法を提案する。図３４はその工程を示すフローチャートである。図３３の検出工程において、所定値（例えばＴｈ（ｇ））以上の輝度値を示すレンズ条件が見出されたときに、そのレンズ強度範囲の中から適正なレンズ強度を選択すべく、複数のレンズ条件において、図２２に例示するようなＳカーブを形成し、ΔＶｆを求める（ステップ３４０２〜ステップ３４０７）。

ここで、複数のΔＶｆの中から最小値、或いは所定の条件を満たすレンズ強度をレンズ条件として選択する（ステップ３４０９）。

以上のような構成によれば、十分な電子検出量を確保しつつ、エネルギーフィルタのエネルギー分解能の向上を実現することが可能となる。なお、予め電子検出量が十分に確保できていることが判明している場合には、エネルギーフィルタの分解能評価のみを行うことによって、レンズ条件決定するようにしても良い。

なお、図３１に例示するエネルギーフィルタを形成する電極を、直交電磁界偏向器２０の偏向支点を中心とした半径ｒの円に平行に形成することによって、エネルギー分解能を更に高めることが可能となる。

１ 電子銃
２ 電子源
３ 引出電極
４ 加速電極
５ レンズ制御電源
６ 電界制御部
７，８ 集束レンズ
９ 対物レンズ
１０ クロスオーバ
１１ 位置モニター用測定装置
１２ 試料ステージ
１３ 試料
１４ 可変減速電源
１５ 絞り
１６ａ，１６ｂ 偏向器
１７，１８ 電極
１９ 電圧制御部
２０ 直交電磁界偏向器
２１ 検出器
２２，３１，４１ 制御部
２３ ステージ駆動装置
２４ 走査信号発生器
２７ 記憶部
３２ 像表示装置
３３，３４ 情報信号
３６ 電子ビーム
３７ 画像処理部
４０ 非点収差補正器
４３ 光軸
４４ 照射領域

Claims (4)

1. 荷電粒子源と、試料に対する当該荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームの照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、前記試料から放出される荷電粒子をエネルギーフィルタリングするエネルギーフィルタを備えた荷電粒子線装置において、
   前記試料から放出された荷電粒子を、前記荷電粒子ビームの光軸から離間させるように偏向する第１の偏向素子を備え、前記エネルギーフィルタは、それぞれ異なる電圧の印加が可能な複数の環状電極が配列された第１のフィルタ電極を含むことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１において、
   前記第１の偏向素子によって偏向された荷電粒子の内、特定の軌道の荷電粒子を選択的に通過させるように、前記環状電極に電圧を印加する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項２において、
   前記制御装置は、前記特定の軌道に位置する環状電極に、特定エネルギーの荷電粒子が通過可能な電圧を印加、或いはアース電位とし、前記特定の軌道以外に位置する環状電極に、前記特定エネルギーの荷電粒子をフィルタする電圧を印加することを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１において、
   前記第１のフィルタ電極を挟むように、メッシュ状の第２のフィルタ電極と第３のフィルタ電極が配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。