JP6184793B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線を用いて試料に作成された微細パターンの寸法を検査する装置に係り、特に、半導体等の検査装置に用いられる荷電粒子線照射技術に関する。

半導体デバイス等の製造においては微細回路パターンが幾層も形成されるため、パターンが設計通りに加工されているか、あるいはパターン寸法に変動がないかの検査を行う。このパターン検査には、微細パターンの寸法検査に適した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）が広く用いられている。ＳＥＭでは、電子線を検査試料に照射しながら走査し、検査試料から放出される信号電子（二次電子及び反射電子）を検出することで走査像（所謂、ＳＥＭ像）を得る。

この製造検査の寸法管理に用いられるＳＥＭは長期の連続稼働がもとめられており、装置を連続稼働するためには試料に照射する電子を連続供給する必要がある。そのため高融点金属材料たとえばWやMo等の単結晶チップ表面にこの単結晶チップより仕事関数が低い金属、例えばZr、Ti、Sc、Hf、Baの酸化物もしくは窒化物を単原子層程度吸着させる表面拡散型電子源が実用化されている。このような電子源をフィラメントに通電することで1500−1900Kの高温の高温に加熱し、さらに5×10⁸〜1.5×10⁹ V/mの強電界を印加することで安定な電子放出を実現している。このような電子源はショットキー電子源と呼ばれる。以降本明細書において、ショットキー電子源のことをＳＥチップまたは単に電子源と表記する。

通常の電子顕微鏡ではこの電子源から放出される電子ビームはしぼりに開けられた孔を用いてしぼられ、その一部が試料に照射される。このような技術に関する先行技術文献として、例えば、特許文献１、２、非特許文献１、２などがある。

特開平０７−０９４１３４号公報 特開平０８−２２２１６３号公報

M. S. Bronsgeest, P. Kruit, Ultramicroscopy, 110, 1243−1254 (2010) J. Orloff, Handbook of Charged Particle Optics, Press, New york (1997)

ＳＥＭで得られる拡大画像の分解能や再現性は、試料に照射される一次電子ビーム、すなわちプローブビームの性能に大きく依存する。その性能として例えば、電流密度、ビームに含まれる電子のエネルギーばらつき(エネルギー幅；ΔE)がある。このプローブビームのプローブ電流密度が大きければ試料から放出される電流量も大きくなるため、高いシグナルノイズ比を短時間で実現することができ、短時間で画質の良いＳＥＭ像を得ることができる。またΔＥが小さければ、電子ビームをより狭い領域に収束できることができるため、ＳＥＭ像の分解能が上がる。

近年この電子源から放出される電流密度とΔEはビーム内で分布が存在し、ある場合にはその分布が不均一になることが分かってきた(上記の非特許文献１、２参照)。ここでプローブビームとして用いられるのは電子源から照射されたビームのごく一部であるため、放出されたビームの内どの部分をプローブビームとして試料に照射するかによって、得られるＳＥＭ画像の分解能が変動し、ＳＥＭ像の画質およびＳＥＭ画像を用いた検査値の再現性が劣化する問題が生じる。さらにその不均一な分布は時間によって変動すると報告されている(上記の非特許文献１、２参照)。

現在、多くの電子顕微鏡では最終的なしぼりを通過し試料に照射される電流の量を測定するか、あるいはしぼりによって遮られた電流の絶対量を測定することで、プローブビームとして最適と思われる場所を選定、もしくは電流密度の調節を行っている。しかし、この方法ではビーム中の電流密度が不均一で、その空間分布が時間的に変動する場合に、プローブ電流として最適な箇所を探すことができない問題がある。

ビーム中の電流密度が不均一になり、その空間分布化が変動する状況の一例として、特許文献１、２、又は非特許文献１、２に示されているように放出ビームの中に円環形の電流密度が小さい領域が発生し（以後、ダークリングと呼ぶ）、その電流密度の小さい個所の位置が時間とともに移動していく現象（以後ダークリング現象と呼ぶ）が知られている。このダークリング現象が発生すると電流密度の分布が不均一になり、従来のプローブ電流量、もしくはしぼりによって遮られる電流量を測定する方法では、電流量の小さいダークリング部がプローブビームに寄与するまで、ダークリングを発見できない問題がある。

以下このダークリング現象について詳しく説明する。このダークリング現象は電子源先端にある直径0.1〜2μmほどの電子放出面に数nm程度の段差が生じることに関連していることが、非特許文献１、２で報告されている。この電子源先端の段差は時間経過とともにその半径を縮小しながら移動するため、ダークリングの位置、および半径は経時的に変化する。そのためダークリングがプローブ電流を取得するしぼりの孔に重なるとプローブ電流量が大きく減少してしまう。しかし従来の方法ではプローブ電流が減少して初めてダークリングの発生が発覚するため、プローブ電流が減少するタイミングを事前に検知することができず、急激に電子ビームの性質即ちＳＥＭ像の画質が変動してしまう問題が回避できない。このダークリングはその半径を小さくすることで最終的には消失し、元のダークリングがない状態に戻る。

しかし一定時間が経過すると再びダークリングが発生し、上記現象を繰り返す。そのため、周期的な電流変動を引き起こし、ＳＥＭ像の画質が一定とならない問題が生じる。このダークリングを取り除くために特許文献１では温度を２１５０Ｋに加熱すること、特許文献２では温度を１９００Ｋ程度に加熱しさらに一時的に通常の２倍程度の電界を印加する方策が示されている。しかし、ダークリング除去操作後、再びビームを放出するには30分以上の時間が必要であり、その間は装置を停止せねばならない。また、これらの処理においてはダークリングの検出結果に基づき除去処理を行うものではなく、定期的にダークリング除去操作を行うことでダークリング現象を回避している。連続稼働を前提としている半導体製造ラインにおける検査では、この装置停止による製造ラインの停止は生産効率の低下を引き起こす。

本発明の目的は、プローブビームの変動を予測してプローブビームの荷電粒子線量やΔＥを一定に保ち、装置を長時間止めることなく高画質な画像得ることを可能とする荷電粒子線装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明においては、荷電粒子線源から放出された荷電粒子ビームの放出された方向に対する電流量の分布を計測するための分布検出部と、分布検出部が測定した荷電粒子ビームの電流分布から試料に照射される電流の変動を予測する変動予測部と、変動予測部の予測結果を基に、試料に照射する電流の位置を判断する位置判断部と、位置判断部の判断に基づき、試料に照射する荷電粒子ビームを取得する位置を制御する位置制御部とを備える荷電粒子装置を提供する。

本発明によれば、装置を停止することなく荷電粒子ビームのプローブ電流の性質、即ち荷電粒子線像の画質を一定に保つことができるようになるため、再現の良い検査を連続的に行うことができるようになり、検査の質と速度が向上する。

さらに荷電粒子線源から放出されたビームの内、最適な部分のビームをプローブビームとして取得することができるようになるため、従来よりも装置ごとの検査性能のばらつきを抑えることができ、より高い精度での検査を実現できる。

実施例１に係る電子顕微鏡全体と要部の構成例を示す図である。 実施例１に係る電子顕微鏡の電子源から照射される電子ビームを説明する図である。 実施例１に係る電子顕微鏡を動作させるためのフローチャート図である。 実施例１における電子顕微鏡の電流強度分布測定方法を説明するための図である。 実施例１における電流分布解析・予測結果の表示例を示す図である。 実施例１における電流分布解析・予測結果を示すグラフ図である。 実施例１に係る、ダークリングが発生したときの電流分布の模式図である。 ダークリングがプローブビームを取得するしぼりへ到達したときの模式図とビーム偏向によってダークリングを回避したときの模式図である。 ダークリングがプローブビームを取得するしぼりへ到達したときの模式図とビーム偏向によってダークリングを回避したときの模式図である。 実施例１におけるダークリングを避ける方向と距離を判断する方法とその表示方法の一例を示した模式図である。 実施例１における偏向電極とビームの偏向の関係の模式図である。 実施例２における電流強度分布測定方法を説明する図である。 実施例３における電流強度分布測定方法を説明した図である。 実施例４における偏向電極とビームの偏向の関係の模式図である。 実施例５における偏向電極とビームの偏向の関係の模式図である。

以下の実施例は、荷電粒子線源として電子線源を用いた装置を中心に説明するが、本発明は電子線応用装置のみならず、他のイオン線等を用いた他の装置にも適用可能である。まず、荷電粒子ビームとして電子ビームを用いる場合の、好適な態様の概要を説明する。

装置は、例えば、ショットキー電子源から放出された電子ビームの放出される方向に対する電流量の分布を計測するための機構として制御電流分布検出部と、測定したビームの電流量分布からプローブビームの変動を予測する機構としてのプローブ電流変動予測部と、その予測結果を基にプローブビームを取得する位置を判断するための機構としてのプローブ電流最適位置判断部と、その判断結果に基づき、プローブビームを取得する位置を選択できるように装置を制御する機構としてのプローブ電流取得位置制御部を備えた構成の荷電粒子装置とする。

電流の分布を測定するための機構としては、電子源から放出されたビームの電流分布を計測するための機構を新たに挿入するか、しぼりに微細加工を行えばよい。高分解能を実現したい場合は、しぼりに加工をすることによるしぼりの変形を防ぐため、前者を実施するとよい。一方、新たな機構を導入すると装置内の部品が増え真空引きに時間がかかる。これを防いでより高い装置稼働率を達成したい場合は、しぼり自体に分布を計測する加工を施す後者を実施すればよい。

また、プローブビームを取得する位置を制御するためには、電子源から放出されたビームを偏向すればよいが、高スループットが必要な場合は、より高速な偏向が可能な特徴を持つ電極を用いた静電偏向を用いればよい。一方、画質を重視し画像ノイズを減らしたい場合は、アースノイズに強い特徴を持つコイルを用いた電磁偏向を使用すればよい。また、装置を長時間連続で稼働させたい場合は、電子源やしぼりの物理位置を変えないために、二段以上の偏向を行うことでビームを取得する位置を調整すればよい。

更に、偏向を行う位置としては、一般的にはより電子源に近い位置、例えば電子を引き出した直後に行う。電子を引き出した直後に偏向用の電極やコイルを配置する空間がない場合は、より空間のある位置、例えばコンデンサレンズの前後や最終的なしぼりの直前で行えばよい。以下、図面に従い、本発明の種々の実施例を説明する。

本実施例は、最も基本的な構成の電子顕微鏡を用いた実施例である。図1Ａにおいて、電子顕微鏡100の電子源101にて電子ビームが生ずる。この電子ビームは引出電極103により引き出され、加速電極104により加速される。尚、サプレッサ電極102によって電子源を加熱するためのWフィラメント部分から発生した熱電子は遮られる。その後電子ビームは第一コンデンサレンズ105、しぼり106、第二コンデンサレンズ107で集光され、最終的には対物レンズ111によって試料112上に集光される。

図１Ｂに示すように、通常は電子源101から放出された全電子ビーム125は引出電極103、加速電極104に設置されたしぼり、及びしぼり106によって遮られ、模式的に示した二次元断面128上のビーム照射位置126に照射されるビーム（プローブビーム）123はそのごく一部である。このプローブビーム123を試料に照射し、試料から二次的に発生した電子を検出器113で検出する。ここで試料に照射するビームをスキャン用コイル110を用いて、例えば、他のビーム照射位置124へ走査することで、試料から発生した二次電子を検出器113で順次検出する。

そして、ＳＥＭコントローラ、及びデータ処理を行う中央処理部（ＣＰＵ）などからなる制御処理部121で信号処理して、二次元像を形成する。これがＳＥＭ像として表示部122上に描画される。尚、しぼり106を通過した後の電子ビームを、ブランカ108を用いてファラデーカップ109に導入することで試料に照射される電流の量を測定できる。

図１Ａの全体構成図に、本実施例の構成に必要な制御機構ブロックを示した。本実施例の制御機構は、分布検出部である制御電流分布検出部114、変動予測部であるプローブ電流変動予測部115、位置判断部であるプローブ電流最適位置判断部116、位置制御部であるプローブ電流取得位置制御部117の４つの機構を組み合わせることで構成される。なお、本明細書においては、便宜上、プローブ電流変動予測部115とプローブ電流最適位置判断部116を合わせて予測・判断システムと呼ぶ。プローブ電流変動予測部115とプローブ電流最適位置判断部116を合わせた予測・判断システムの結果を記憶装置118で記憶しておき、ディスプレイ119を用いてその結果を表示することが可能である。更に、記憶装置118、ディスプレイ119、及び予測・判断システムを併せて制御システム120と呼ぶ場合がある。なお、図１Ａに示した本実施例の構成に限定されることなく、例えば、制御システム120と、制御処理部121、表示部122をまとめて、一台のパーソナルコンピュータ（ＰＣ)やサーバ等のコンピュータシステムで構成することが可能である。

続いて、図２に本実施例の構成の動作例のフローチャートを示した。まず、しぼり106より前段に設置した制御電流分布検出部114で電子源から放出された電子ビームにおける放出方向に対する電流強度の分布の測定を開始する(201)。その測定データに基づき、電流値分布異常（ダークリング）の有無を判定する（202）。電流強度分布の異常がない(No)場合は、ビームの中心からプローブビームを取得し撮像を開始した(203)。

本実施例では電流強度分布の測定はＳＥＭ像の取得と同時に可能であるため、装置全体を停止するまで停止する必要はない。ただし試料を装置にロードするタイミングやＳＥＭ像取得前、または一定時間間隔を置いて定期的に取得してもよい。この電流強度分布を用い、ダークリング発生の有無を判断した。本実施例ではこの判断のタイミングは試料を装置にロードするタイミングと同じとしたが、ＳＥＭ像取得前や一定時間の間隔を置き定期的に行ってもよい。電流分布の異常即ち課題の項で説明したダークリングが発生している場合は、プローブ電流変動予測部115を用いてダークリングの位置を予測する（204）ことでダークリングのしぼりの孔への到達時間を予測した（205）。

この予測時間が設定値以上であれば撮像とモニタリングを続けた（203）。設置値以下である時は、ビームを偏向する方向と距離を判断（206）、ビームを偏向して撮像、すなわち、プローブビームを取得する位置を変えてダークリングを回避した（207）。その際、プローブビームを取得する位置をプローブ電流最適位置判断部116で判断し、その判断結果を基にプローブ電流取得位置制御部117を用いて、実際にプローブビームを取得する位置を制御する。位置を制御後も電流分布の測定を継続してダークリングの位置を検出し（208）、ダークリングの位置がビームの中心を通過していなければ、偏向したまま撮像を継続した（207）。ダークリングがビームの中心を通過していれば偏向を解除して、ビームを中心に戻し撮像（209）と、電流分布の測定を継続した。

なお、図３にその一例を示すように、チップから放出されたビーム303の放出方向に対する電流分布を測定するための機構として、通過穴302を備え、ビームを遮るしぼり301自体にタイル状の電極加工を施し、それぞれのタイル状電極に照射される電流量を配線305経由でピコアンメータ306で検出する。これらの二次元タイル状に分割した電極をピコアンメータ306に配線305することでタイル状電極の配列(x,y)における電流強度のマッピングデータI(x,y)を取得する。この電流強度のマッピング結果はダークリングの移動とともに変化するため、二次元電流マッピングデータの時間変化から一定時間後のダークリングの位置を予測することができる。なお、図３において、304はしぼり301の通過穴302を通過したビームを模式的に示している。

次に、図４Ａ、図４Ｂを用いて、本実施例の構成における、ダークリングの位置予測の方法と、その結果の出力例を説明する。図４Ｂに示すように、時刻t1で測定されたダークリングの半径をr1、位置を(x1,y1)とし、時刻t2で測定されたダークリングの半径をr2、位置を(x2,y2)とすると、これらの値は時間に対して線形に変化すると予測することで、時刻tの半径r＝((r2−r1)/(t2−t1))×(t−t2)＋r2であり、位置(x,y)＝( ((x2−x1)/(t2−t1))×(t−t2)＋x2, ((y2−y1)/(t2−t1))×(t−t2)＋y2)であると予測した。

なお、本実施例では線形に変化すると予測したが、マッピングによる測定点数を増やし、多次関数、指数関数、対数関数及びこれらの関数の線形結合で予測してもよい。このダークリングの予測位置がしぼりの孔に重なる時間を求めることで、プローブ電流量の変動が起こる時間を予測した。ここで二次元データの時間変化を記憶する装置としてはハードディスクドライブ（ＨＤＤ）やソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）などの電子媒体が好ましい。また、上述したように、ディスプレイ119やディスプレイ機能を有する装置を用いて二次元データやその解析結果を可視化することが可能である。

本実施例ではディスプレイ機能を提供する装置として電子ディスプレイを用い連続的に表示した。ここで図４Ａにその一表示例を示す。表示領域401に、二次元データ405、ダークリングの位置、速度、到達予測時間402、現在までのプローブ電流モニタリング結果と予測推移403などを表示した。二次元データ405中には、ダークリング404が表示される。また二次元データ405の代わりにその強度プロファイルを表示してもよい。また一定時間の間隔をあけてそのデータを印刷してもよい。その他、ビーム分布の異常を検出したときに警告を発し、警告時に二次元データや解析結果を出力してもよい。警告としてはディスプレイに表示、警告音の発生、警告ランプの点灯などを使用した。

この予測結果を基にプローブ電流を取得する位置を判断した。以下判断方法を示す。電流値の二次元マッピング結果。電流分布が均一であり、ダークリングが派生していない場合はビームの中心をプローブビームとして用いた。ビームの中心は二次元マッピング中最大の電流値の10%となる点をビームの輪郭として抽出し、そのx座標平均値とy座標平均値を中心の座標とした。

本実施例では抽出した座標の平均値を用いたが、最大値と最小値の座標の平均を用いてもよい。電流分布に最大値の70%以下となる極小値が発生し、時間経過によってその位置が変動していた場合にダークリングが発生したとみなした。また、本実施例では70%を用いたが、30〜90%の値を用いてもよい。ダークリングが発生した場合は、ダークリング127としぼりの距離d＝(x^2−y^2)^0.5の最小値が事前に設定したダークリング到達時間設定値から計算した距離Dを超えるか否かで、その後の処理を決めた。

図５に示したようにダークリング127としぼりの距離dが、d>Dであれば、ビームの中心からプローブビームを取得し撮像を続けた。一方、図６Ａに示すように、d<Dであれば、図６Ｂのように偏向器129によりプローブビーム123を取得する位置をダークリングの外側に移動した。

図７に、本実施例の構成において、移動後にプローブビームを取得する位置を決定する方法を示す。予測に使った電流分布二次元データ405を用いるとビーム中心からのある方向に移動した場合の電流強度の推移406を得ることができる。表記領域401の電流分布二次元データ405は中心から0、90、180、270°方向の電流強度プロファイルである。この結果を基になるべく少ない移動距離でダークリングを避けられる方向と距離を判断した。図７に示した場合では、なるべくビームの中心に近い90°方向に移動し、電流変動がダークリングを超えビーム中心の電流値より10%以内の低下に収まる距離、ここでは10μm移動させればよいと判断した。その判断結果は、407に示すようにディスプレイ上に表示することもできる。なお、より精度を上げるため移動方向を決めるために、電流密度の推移を取得する方向数は増やしてもよい。また、本実施例ではダークリングの通過の判断は電流値が10%以内に収まる距離としたが、その値は0〜20%以内の値を設定してもよい。

本実施例においては、この判断結果を基にプローブ電流を取得する位置を制御した。制御方法としては電子源から放出された電子ビームを偏向した。上述の判断結果の位置に移動するように偏向する方向が決定され、偏向する角度θは上述判断結果の位置から決まる。偏向する距離をXとすると電子源から電流分布の取得を行った位置までの距離をlとしてtanθ＝x/lとなるように偏向すればよい。ただし電子が加速される、またはレンズで収束されている場合にはその影響を考慮する必要がある。

電子源から放出されたビームは引出電極103、加速電極104を通過しその後第一コンデンサレンズ105、しぼり106、第二コンデンサレンズ107、対物レンズ111を通過して試料に照射される。106より前段に設置された各電極によってビームの一部が遮られるので、偏向はなるべく電子源付近で行うのが好ましい。ここでビームを曲げるための機構としては電極を用いた電界偏向を用いた。なお、コイルを用いた電磁偏向も利用することができる。

図８に、本実施例における偏向電極とビームの偏向角度の関係を示す。本実施例ではビームマッピングを行った面をx−y平面としてx方向y方向にそれぞれ偏向するための偏向電極を２組使用し、さらにこれらの電極を２段使用する。まず引出電極直後に第一偏向電極801を設置することでビームを曲げた。電極801によって曲げられた角度をαとする。その後第二偏向電極802を用いβだけ電極801とは逆方向に曲げた。すると最終的にα−β＝θビームが傾いた状態となり、電子源からθ方向に放出されたビーム803が傾きのない状態で電子銃出口のしぼり805を通過した。ここで電子源から電極801までの距離をL1、電極801から電極802までの距離をL2とすると、L1tanθ＝L2tanβすなわちL1tan(α−β)＝L2tanβとなるようにαとβを決めることで803のビームがしぼり805にあいた孔を通過し電子銃から放出される。このθとα、βの関係を求めたテーブルを事前に用意しておくことで、電子ビームの照射を止めることなく高速にダークリングを避けることができる。

実際は電極801および802に印加する電圧とこれらの電極を通過するときの電子の速度によってα、βが決まるので、θと電極801に印加する電圧と電極802に印加する電圧の関係をテーブルにしておけばよい。ここで電子銃内に加速電極が多数ある場合、電極801と電極802は加速電極をまたいで設置されていても構わない。ただし、加速によってビームの速度が変わるため、加速による補正をかけたβ’を用いてθ＝α−β’の関係が成立するようにαとβ’のテーブルを用意しておけばよい。

以上説明した、実施例１の構成により、30分以上の装置停止を伴うダークリングの除去でしか防ぐことができなかったダークリングによる分解能劣化や検査再現性の低下を、装置を停止することなく防ぐことができ、検査速度が10%以上向上した。

実施例２は、電子ビームの強度分布を測定するための機構を新たに導入した構成の実施例である。図９に示すように、しぼり506上、または電子源としぼり506の間にチャージカップルドデバイス（ＣＣＤ）などの電子検出素子を二次元に配列したしぼり501を設置し、二次元配列したしぼり501上のＣＣＤ素子でビームを受け、このＣＣＤ素子からの情報を配線505経由でＣＣＤ読み取り装置508で読み取ることで電流分布を検出した。尚、ＣＣＤしぼり501の孔502はしぼり506の持つ孔507よりも大きく、孔507を通過したビームがプローブビーム504となる。孔507を通過したビームは通常数ミリメートルの広がりを持つため、それよりも小さいサイズのＣＣＤ素子を配列する必要がある。電流分布の二次元データを取得する方法以外は実施例１と同様である。

本実施例の効果は実施例１と同様であるが、しぼりに微細加工を施す必要がなく新たに装置を挿入すればよいため、試料に照射される電流を取得する電子光学系に関する部品は本発明を実施する前から変更する必要がないことが利点である。

実施例３は、電子ビームの強度分布を測定するための他の機構を新たに導入した場合の実施例である。ただし、実施例１に示したような微細加工や、実施例２に示したような高価なＣＣＤ素子を用いることなく、安価かつ簡便に測定を実現する方法である。

図１０に示すように、電子ビームの強度分布を測定するための機構として、４象限または８象限に分割したしぼりを二重に配置した。図１０では４象限に分割した場合を示す。これらのしぼり701、703はそれぞれサイズのことなる孔702、704を持つ。孔704のほうが孔702よりも小さい。それぞれのしぼりにあたる電流量を配線710を経由してピコアンメータ711で読み取ることにより、４象限間の電流の分布を取得した。また二重に配置することで、よりしぼりの穴に近い領域での電流分布が取得できる。この実施例は電流分布を直接マッピングするものではないが、ダークリングを避ける方向と位置を判断するためには十分である。

その判断方法を示す。ダークリングがしぼりに接近し、孔702は通過し孔703によって遮られるようになると、しぼり701で遮られる電流量は増加し、しぼり703で遮られる電流は減少する。そのため、分割したしぼりにおいて一番目初めにこの現象が起きた方向がダークリングにいちばん近い方向となる。このことからビームの移動方向を判断した。またこの時ダークリングはしぼり701の孔702のふちにあるので、これらのしぼりの孔のサイズよりダークリングまでの距離を判断した。

本実施例において、しぼり701、703を分割する際の絶縁物708としては真空が最もよい。絶縁物も分割部材の候補であるが電子ビームが直接当たる部分に絶縁物を直接用いることで、絶縁物が帯電を起こし、電子ビームの軌道をゆがめてしまう可能性があるからである。ただししぼり701で電子が遮られるため、しぼり701としぼり703の間、またはしぼり703としぼり705の間の絶縁には金属酸化物などの絶縁体が使用できる。また直接ビームが当たらない部位、例えばしぼり701、703、705の外周付近や、それぞれのしぼりの陰に隠れる絶縁物708の一部などには酸化物等の絶縁物を使うことができる。本実施例では移動方向の判断はしぼりの分割数によって制限され、移動距離の判断は孔702のサイズによって制限されたが、それ以外は電流分布の二次元データ取得後は実施例１と同様である。

本実施例の効果としては実施例１と同様であるが、本実施例では実施例１のように微細加工が必要でなく、また実施例２のように高価な素子が必要でないため、安価かつ簡便に本発明を導入可能であることが利点である。

実施例４は、実施例１の変形実施例であり、プローブ電流取得位置を制御するためにビームの偏向を行う個所が実施例１と異なる。実施例１と同様に電界偏向電極を２段用いるが、偏向を行う個所は加速電極より後段である。

図１１に実施例４の模式図を示す。コンデンサレンズ806で収束した後に最終的にプローブ電流を取得するためのしぼり805の前で実施例１のように電界偏向電極を２段用いて傾けることでダークリングを回避した。電子源からコンデンサレンズ807までの距離をL3、レンズ807から電極801までの距離をL4、電極801から電極802までの距離をL5とし、レンズ807では電子源からθ方向に放出されたビームがθ’方向に収束されるとする。

図１１に示すように電極801でα曲げられ、電極802でβ曲げることで、電子源からθ方向に出射されたビーム803がしぼり805を通過するようにした、つまりL3tanθ−L4tanθ’＋L5tanα＝0とθ’＝α−βの関係を満たすようなθとθ’とα、βの関係あらわすテーブルを作成しておき、第一及び第二偏向電極電圧を制御した。なお電流強度分布を取得する方法は実施例１、２、３に示したいずれの方法を用いてもよい。

本発明の効果としては実施例１と同様であるが、通常加速電極より前段は空間的に狭く、大きな電極やコイルが挿入しにくいため、より広い空間のある加速電極後段に偏向用の電極やコイルを設置でき、設計の自由度が広がることが利点である。

本実施例では実施例４と同様に加速電極より後段で偏向を行うが、二段目の偏向はしぼり808より後段で行う実施例である。電極801により電子源から角度を持って放出された電子ビーム803を曲げることでダークリングを回避し、試料上に電子ビームを収束するための対物レンズ809主面の中心を通るように電極802を用いて偏向した。その模式図を図１２に示す。本実施例でも電界偏向電極を２組使用した。本実施例ではコンデンサレンズ807でビームを収束する前に電極801で偏向を行う方法と、レンズ807でビームをいったん収束した後に電極801で偏向を行う方法がある。

まずは前者の場合を図１２の左側の構成を用いて説明する。電子源からθ方向に放出されたビーム803はレンズ807によってθ’方向に収束される。通常このビームはしぼり808に遮られ試料に照射されることはないが、ここに電極801を設置しα曲げ、しぼりを通過するようにした。次に電極802を用いβ曲げることで対物レンズ809主面の中心を通るようにした。この実施例ではビームが収束する点試料上の点が光軸からずれてしまうことに注意した。この時、電子源からレンズ807までの距離をL6、レンズ807から電極801までの距離をL7、電極801からしぼり808までの距離をL8、電極802までの距離をL9、電極802から対物レンズ809までの距離をL10とすると、L6tanθ−L7tanθ’＋(L8＋L9)tan(α−θ’)−L10tan(β−α＋θ’)＝0とL6tanθ−L7tanθ’＋L8(α−θ’)＝0を満たすようなαとβのテーブルを用意しておき、電極801及び802に印加する電圧を制御すればよい。

次に後者について図１２の右側の構成を用いて説明する。電極801でしぼりを通過するようにビームを曲げ、電極802で対物レンズの中心を通すようにビームを曲げる点は変わりがない。この時はL6tanθ−L7tanθ’−(L8＋L9)tan(θ’−α)＋L10tan(β＋α−θ’)＝0とL6tanθ−L7tanθ’−L8(θ’−α)＝0を満たすようなαとβのテーブルを用意しておき、電極801及び802に印加する電圧を制御すればよい。尚、この場合もビームが収束する試料上の点が光軸からずれてしまうことに注意した。尚本実施例では電流強度分布を取得する方法は実施例１、２、３に示したいずれの方法を用いてもよい。

本実施例の効果は実施例１、実施例４と同様であるが、二段目の偏向電極をしぼりよりも後段に設置することができるため、実施例１、４よりさらに設計の自由度が広がることが利点である。

尚、前述の実施例１、２、３を行い電子ビームの電流量分布を取得することで、電子源から放出された電子ビームのうち最適な場所、即ちビームの中心を用いているか否かの判断を行う使い方も可能である。電子源から放出された電子ビームはおよそ10°の広がりを持って放出される。ここでビームの中心からずれた角度に応じて電流値およびΔEが変化するため、本発明の一部である二次元の検出機構を用いることでビームの中心からプローブビームを取得しているかを判断できる。これらの検出結果を基にダークリングを検出した場合と同様に、ビームの中心からプローブビームを取得することができる。このことによりビームの傾きに由来する装置ごとの検査性能のばらつきが低減できる。

さらに、実施例１，２，３を用いて電子ビームの電流分布を取得することで、電子源異常を検出する使い方も可能である。電子源の先端の直径は0.3〜2μｍと非常に小さく、電極間と電子源の間の放電や加熱温度の急激な変化により、先端の形状が変わり電子放出が異常となる。この異常が起こると電子源に印加される電圧は同じでも、電子源先端に生ずる電界強度が変化することで、放出される電子ビーム電流量、ΔEが変化する。通常は電子源先端の直径が太くなることで電界強度が低下し、電子ビーム電流量は減少する。しかし、電子源先端が太くなっても局所的に尖った個所が生成される場合がある。この場合には局所的に電界が集中し、放出されるビームの中に局所的に電流密度の高い領域が形成される。この領域からプローブ電流を取得すると十分に大きなプローブ電流を得ることができるため、従来のプローブ電流を検出するだけではあたかも異常のない電子源とみなされる。本異常が発生した場合は、局所的な電界集中が起こっており分布強度がまだらになる。そのため、本発明によりビームの強度分布を取得することで、電子源先端の異常の検出が可能となる。本異常が発生した場合は電子源の交換を行うしか方法がないため、本発明により電子源交換の判断を早期に行うことができる。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されものではない。また、ある電子顕微鏡等の電子線装置の実施例の構成の全体、あるは一部を他のイオン線などの荷電粒子線をを用いる実施例の構成の全体、一部に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

更に、上述した予測・判断システムなどの構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を実現するプログラムを作成する例を説明したが、それらの一部又は全部を例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良いことは言うまでもない。

101 電子源、102 サプレッサ電極、103 引出電極、104 加速電極、105第一コンデンサレンズ、106しぼり、107 第二コンデンサレンズ、108 ブランカ、109 ファラデーカップ、110 スキャン用コイル、111 対物レンズ、112 試料、113 電子検出器、114 制御電流分布検出部、115 プローブ電流変動予測部、116 プローブ電流最適位置判断部、117 プローブ電流取得位置制御部、118 記憶装置、119 ディスプレイ、120 制御システム、121 制御処理部、122 表示部、123 プローブビーム、124、126 ビーム照射位置、125 電子源から放出された全電子ビーム、127 ダークリング、128 二次元断面、129 偏向器、
301 タイル状電極しぼり、302 タイル状電極しぼりの孔、303 電子源から放出された電子ビーム、304プローブビーム、305 配線、308ピコアンメータ
401 表示画面、402 ダークリングの位置、速度、到達予測時間を表示した画面、403 現在までのプローブ電流モニタリング結果と予測推移を表示した画面、404 ダークリング、405 電流分布二次元マッピングデータを表示した画面、406 しぼりの孔からダークリングまでの方向と距離を表示した画面、407 プローブ電流取得に最適な位置の判断結果を表示視した画面
501 ＣＣＤ配列しぼり、502 ＣＣＤ配列しぼりの孔、503 電子源から放出された電子ビーム、504 プローブビーム、505 配線、506 しぼり、507 しぼりの孔、508 ＣＣＤ読み取り装置、
701 第一分割しぼり、702 第一分割しぼりの孔、703 第二分割しぼり、704 第二分割しぼりの孔、705 しぼり、706 しぼりの孔、707電子源から放出された電子ビーム、708 絶縁部材、709 プローブビーム、710 配線、711 ピコアンメータ、
801 第一偏向電極、802 第二偏向電極、803 電子源から放出されたビームの内、ビームの中心からθ方向ずれた方向に放出されたビームの軌道、804 電子源から放出されたビームの内、805、808 プローブ電流取得用しぼり、ビームの中心に放出されたビームの軌道、806 電子銃出口のしぼり、807 コンデンサレンズ、809 対物レンズ。

Claims (15)

1. 荷電粒子線源から放出された荷電粒子ビームの放出された方向に対する電流量の分布を計測するための分布検出部と、
   前記分布検出部が測定した前記荷電粒子ビームの電流分布から試料に照射される電流の変動を予測する変動予測部と、
   前記変動予測部の予測結果を基に、前記試料に照射する電流の位置を判断する位置判断部と、
   前記位置判断部の判断に基づき、前記試料に照射する前記荷電粒子ビームを取得する位置を制御する位置制御部とを備える、
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１記載の荷電粒子線装置であって、
   前記変動予測部は、
   前記電流量の分布に表れるダークリングの位置を予測し、
   前記位置制御部は、
   前記ダークリングの予測位置を避けて、前記荷電粒子ビームを取得する、
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１記載の荷電粒子線装置であって、
   前記分布検出部は、
   前記試料に照射する荷電粒子ビームを検出する二次元の荷電粒子線検出器で構成する、
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１記載の荷電粒子線装置であって、
   光軸上に、前記試料に照射する前記荷電粒子ビームを遮ることでその電流量を調節するしぼりを更に備え、
   前記分布検出部を、
   前記しぼりの表面に設置した二次元の荷電粒子線検出器で構成する、
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項１記載の荷電粒子線装置であって、
   前記荷電粒子線源からから放出される荷電粒子線を偏向する偏向器を更に備え、
   前記偏向器を、
   電場によって前記荷電粒子線を偏向するための電極、又は、磁場によって前記荷電粒子線を偏向するためのコイルで構成する、
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項５記載の荷電粒子線装置であって、
   前記偏向器は、
   二つ以上の電極またはコイルを用いて多段階で偏向を行う、
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項６記載の荷電粒子線装置であって、
   前記荷電粒子線を収束させる収束コイルを更に備え、
   前記偏向器を構成する前記二つ以上の電極またはコイルを、前記収束コイルより前段に設置した、
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項６記載の荷電粒子線装置であって、
   前記荷電粒子線を収束させる収束コイルを更に備え、
   前記偏向器を構成する前記二つ以上の電極またはコイルを、前記収束コイルの前段及び後段に設置した、
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項６記載の荷電粒子線装置であって、
   前記荷電粒子線を収束させる収束コイルを更に備え、
   前記偏向器を構成する前記二つ以上の電極またはコイルを、前記収束コイルより後段に設置した、
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 請求項１記載の荷電粒子線装置であって、
    前記試料の前記荷電粒子線源側に設置された対物レンズを更に備え、
    前記分布検出部は、前記荷電粒子線源より下部で、前記対物レンズより上部に設置した、
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
11. 請求項１記載の荷電粒子線装置であって、
    表示部を更に備え、
    前記表示部に、
    前記分布検出部が検出する前記荷電粒子ビームの電流分布を表示する、
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
12. 請求項１１記載の荷電粒子線装置であって、
    前記表示部に、
    前記分布検出部が検出するダークリングを表示する、
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
13. 請求項１２記載の荷電粒子線装置であって、
    前記表示部に、
    前記変動予測部が予測する前記ダークリングの予想位置、径、速度を表示する、
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
14. 請求項１２記載の荷電粒子線装置であって、
    前記表示部に、
    前記変動予測部が予測する前記ダークリングの移動方向、移動時間を表示する、
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
15. 請求項１１記載の荷電粒子線装置であって、
    前記表示部に、
    前記位置判断部が判断した、前記荷電粒子ビームの最適取得位置を表示する、
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。

Images