JP6605080B2 - 超高速電子検出器および該検出器を組み込んだ走査型電子ビーム検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、サンプルから放出あるいはサンプルで反射された電子ビームを超高速に検出する超高速電子検出器および該検出器を組み込んだ走査型電子ビーム検査装置に関するものである。

半導体デバイスはムーアの法則に従って、毎年縮小が進み、最先端デバイスでは量産段階のデバイスでも最小フィーチャーサイズが２０ｎｍを切ろうとしている。小さなフィーチャーサイズを実現するためには、より小さなパターンを形成できる露光技術が必要である。

従来は波長１９３ｎｍのレーザー光線が露光に使用されてきたが、光学的に分解できる限度を既に大きく超えているため、近年では波長が１３．５ｍｍのＥＵＶ光を利用する露光技術が精力的に進められている。

この技術は日本発と言われる技術であるが、１０年以上昔からＡＳＭＬ等の会社で実用化に向けて研究開発されている。露光装置本体光学系はほぼ完成しているが、現状のＥＵＶ露光装置は経済的量産に必要とされる１００Ｗから２００Ｗの光源パワーを得ることが出来ないため、２０ｎｍ世代の露光に使用することはスキップされた。

その代わりに既存の波長１９３ｎｍ露光プロセスを複数回繰り返し行うことでさらに小さなフィーチャーサイズを実現することができる、いわゆるダブルあるいはトリプル露光技術が実際の生産現場では用いられている。

原理上は波長１９３ｎｍのレーザー光線を用いた液浸リソグラフィーを複数回繰り返すことにより幾らでも小さなパターンを作ることが可能であるが、従来よりも１ケタ高い精度のｎｍオーダーのアライメント精度が必要なことや化学増幅レジストの大きな分子構造から来る大きなラフネス等が繰り返し露光プロセスの制限になることが知られている。現在は、経済的限度と言われている露光プロセスを２回繰り返すダブルパターニングが実用に供せられており比較的構造の簡単なメモリーデバイスでは、２０ｎｍから１６ｎｍのライン＆スペースを実現するために利用されている。

構造の簡単なメモリーデバイスだけでなく、ＣＰＵやロジックデバイスも機能拡充や消費電力低減のためにパターン縮小を行うことが必要である。ロジックデバイスは繰り返しの無い複雑なパターンを利用するためロジックデバイスをダブルあるいはトリプル露光で作るためには相当複雑なパターンが必要である。本来１回の露光で実現出来るパターンを複数回の露光で利用可能な用に２枚のフォトマスク上のパターンに分割するためには非常に複雑な計算が必要である。パターンによっては分割計算が発散するなどして必要な結果が得られない場合がある。

これらの複雑さを回避する目的で、コンプリメンタリーリソグラフィーと呼ばれる、主にインテルが提唱しているリソグラフィー容易化技術が使われようとしている。この露光方法では、複雑なロジック回路をメモリー回路の様なＬ＆Ｓの簡単なパターンに還元したパターンを利用することに特徴がある。このようにすることで、複雑なロジックデバイスのパターンを最も露光しやすいＬ＆Ｓパターンとそのラインをカットするプロセスのみに限定しているため、複雑なパターン分割計算が必要なく、プロセスは簡単で、計算上は８ｎｍ程度まで行くとされている。

一方、以上述べたように１９３ｎｍ露光技術が延命されると、それに利用されるフォトマスクはレイヤー毎に露光回数分増加し、従来以上に多くのマスク検査や精密な測定が要求されるようになる。例えば、ダブルパターニングでは、２枚のフォトマスクを順次重ねて用いるため、２枚のマスク間のマスク上に形成されているラインの絶対位置精度やアライメント精度が今まで以上に重要である。より細かいパターンを露光するための光学補正も複雑かつ、精密になる。インバースリソグラフィーを用いたマスクなどは、高次の回折高まで使用するため、補正に利用するパターンサイズはさらに小さい。マスクの生産に当たっては、従来は無視できていた大きさの欠陥がデバイス歩留まりに効いてくるなど、従来以上に欠陥密度を下げる必要があるし、細かいパーティクルも観察の対象になる。

以上の要求のため、フォトマスクには従来以上に高分解能で高速な欠陥検査が要求されている。これらの要求に答える有力な方法に、電子ビーム検査装置がある。

しかしながら、従来の電子ビーム検査装置は分解能に対しては十分であるが、検査速度に関しては要求とは程遠く遅いという問題があった。その大きな理由は、従来電子ビーム検査装置で利用可能な２次電子検出装置には飽和特性や応答速度に問題があり、速度を上げるとともに画像ＳＮＲが劣化するため、分解能と検査速度を両立できないという問題があった。

詳述すれば、従来のＧＨｚの応答速度を持つ高速電子検出手段の１つであるＭＣＰ（マルチチャンネルプレート、マイクロチャンネルプレート）が知られている。このデバイスはファイバーガラスを大量に束ねてエッチングすることで、ミクロンオーダーの電子が通れるチャンネルを何百万本と大量に作り、その内壁を電子増倍作用が起こるように処理したものである。ＭＣＰ両端には電子倍増を行うために０から数キロボルトの高圧が印加されており、ＭＣＰに入射した電子は各チャンネルの壁に衝突しながら増倍され、最終的には入射した電子数の１０００倍以上の電子数となる。ＭＣＰは１ｍｍ以下の厚みを持つ非常に薄いデバイスのため、入射電子が出射するまでの時間は非常に短くばらつきも無いので、１ＧＨｚ（１ｎｓ）程度の高速応答が可能である。高速検査装置で利用するためには、１ピクセル当たり１０個から１０００個以上の電子を照射する。検査速度上昇に比例して照射電流量は増加し、サンプル表面から発生する大量の電子を検出することが必要なため、大量に検出装置に入射される信号電子を入射量に比例して増倍し電流に変換する必要がある。

しかし、従来から用いられている、電子増倍装置であるＭＣＰは電子が１つ１つゆっくりと入射される場合には、１つ１つのチャンネルにおいて理想的な電子増倍作用が起こり、１個の電子を１０の６乗個に増倍することが可能であるが、大量の電子を同時に入射すると電子増倍に使用される各チャンネルが全て埋まってしまい、実質的に増倍出来ないデッドタイムと呼ばれる時間が生じる。これが飽和と呼ばれる現象である。この飽和が起こると、デッドタイム中は増幅が行われないので、入射した電子数と出力される電子数の間に比例関係が無く成り、増幅作用のリニアリティーが担保出来ず画像ＳＮＲが劣化し本来必要とする高速検査が実現できない。つまり、幾ら照射電流値あるいはＭＣＰに入射される電子数を多くしても、出力電流が一定に成り、画像ＳＮＲを上げることが出来なくなる。ＭＣＰの出力電流上限は出力電流を増強したＭＣＰで精々数十マイクロアンペアーである。そのため、ＳＮＲ１０が得られる周波数は高々１００ＭＨｚ以下に抑えられてしまい、高速検査装置を実現できないという問題があった。

また、ＭＣＰの寿命は、通常のＣＤＳＥＭで使用される様な低い出力電流時で大凡１年である。ＭＣＰは入射電子を増倍するためにチャンネル内部にアルカリ金属の薄い層を設けている。この層を形成しているアルカリ金属は電子を増倍するたびに、電子と共に真空に飛散するため、ＭＣＰの増倍率は出力電流量に比例して落ちて行く性質がある。ＭＣＰの寿命はＭＣＰに印加することが出来る最大電圧が所望の増倍率を下った時と定めている。そのため検査装置のように連続的に大電流出力を行うと出力電流値に比例して増倍率が減少して急激に寿命が短く成り実用上使えないという大きな問題があった。

一方、高速応答可能で出力電流が大きく取れる電子検出素子としてフォトダイオードがある。電子顕微鏡の世界では反射電子検出器などと呼ばれて、信号電子の持つエネルギーに比例した電流を検出するために用いられる。この場合の検出器には、高い検出速度要求が無いので、信号電子の検出効率を上げるために１平方センチメートルよりも大きな面積を持つフォトダイオードが一般に利用される。反射電子検出装置として使う場合は、信号電子のエネルギーが大事なので、信号電子に外部からエネルギーを与える使い方はしていない。

フォトダイオードは高速光通信で使われる素子ではＧＨｚオーダー以上の応答速度を持つものがある。フォトダイオードは増幅原理が上述したＭＣＰとは異なり、チャンネルもなく、出力抵抗が非常に小さいためＭＣＰで見られるような飽和現象が無く、１００ｍＡを超える出力電流を出すことが可能で、非常に大きな入射電子があっても増幅率の直線性を失わないという大きな利点がある。フォトダイオードの電子増幅作用は半導体基板の内部で行われるため、ＭＣＰに見られるような素子劣化は非常に小さく長寿命であるという点も大きな利点である。

しかしながら、全てのサイズのフォトダイオードが高速応答特性を持つわけではなく、ＧＨｚのような高速応答可能なフォトダイオードのサイズはデバイスの電気容量をｐＦオーダー以下に抑えて高速性を担保するために、通常約１ｍｍφよりも小さいことが必要とされる。これはフォトダイオードの応答速度とデバイスの電気容量すなわちデバイス面積は図１３に示すように反比例の性質があるためである。電子検出可能なフォトダイオードとして利用可能なダイオードには色々な種類があるが、例えばＰＮダイオード、ＰＩＮダイオード、アバランシェダイオード等いずれの半導体デバイスでも同様の傾向を持っている。理由は、これらのデバイスが等価回路的に電気容量を内蔵するためであり、出力された電流を電圧に変換するための増幅器に接続した際に、時定数が大きくなる等の影響が現れる。同様に、ＰＮ接合を持つ半導体デバイスは雑音を発生するが、面積が大きいほど暗電流や雑音が大きくなる。

電子銃から照射されたプライマリービームによってサンプル表面に発生する信号電子（２次電子あるいは反射電子）は一旦、対物レンズの磁界で収束され、らせん運動をしながら上昇した後、サンプル直上の数ｍｍの位置で四方に広がり、検出器の場所ではｃｍオーダーの広がりとなり、電子ビーム照射点の直上が一番電子強度の強いガウス分布となる。

サンプル上の電子ビーム照射点で発生した殆どの信号電子を回収検出するためには図１３に示したようにｃｍサイズの大きなサイズのフォトダイオードを利用する必要がある。フォトダイオードをｃｍオーダーに大きくすれば電子検出率は高まるものの、デバイスの電気容量が増加して応答速度がＭＨｚ以下と極端に落ち、高速検査装置としては使い物に成らないと同時、現在の半導体技術ではダイサイズがｃｍ台に大きくてＧＨｚの高速応答性を持つフォトダイオードは知られていないという問題があった。

また、従来、ＭＣＰとフォトダイオードを重ね合わせたデバイスが提案されているが、ＭＣＰとフォトダイオードの大きさが同じｃｍ大であり、フォトダイオードの電気容量が非常に大きいため実際には高速応答し得ないという問題もあった。

本発明では、電子ビームによる高速検査を実現可能にする超高速電子検出装置および該検出装置を組み込んだ走査型電子ビーム検査装置を提供することを目的とする。

そのため、本発明は、サンプルから放出あるいはサンプルで反射された電子ビームを超高速に検出する超高速電子検出器において、サンプルから放出された電子ビームあるいはサンプルで反射された電子ビームを受光する第１の開口部と、第１の開口部で受光された電子ビームあるいは受光されて増幅された電子ビームを、加速する加速電圧を印加し、かつ第１の開口部の面積よりも小さい第２の開口部を有するダイオード検出器とを備えるようにしている。

この際、第１の開口部は、当該第１の開口部を有するメッシュあるいはＭＣＰとするようにしている。

また、第２の開口部を有するダイオード検出器として、超高速動作可能かつ電子を検出可能なダイオードとするようにしている。

また、第１の開口部および第２の開口部のいずれか１つ以上に、当該開口部の軸に同軸にチューブ状であって、かつ電子ビームを当該軸の中心から所定距離離れた円環状に偏向する電圧を印加するリターリング電極を設けるようにしている。

また、第１の開口部と第２の開口部との間に静電レンズを設けると共に必要に応じて加速電圧を印加し、第１の開口部から放出された電子ビームの面積を縮小かつ加速して第２の開口部に入射させるようにしている。

また、第１の開口部から第２の開口部を有するダイオード検出器までの部分（第１の開口部自身を除く）を磁気シールドおよび静電シールドのいずれか１つ以上の構造を持たせ、ノイズの影響を低減するようにしている。

また、サンプルと前記第１の開口部との間に、サンプルから放出された２次電子を吸引する正の数Ｖ以上の電圧を印加するようにしている。

また、第１の開口部と第２の開口部との間に第１の開口部から放出された電子ビームを加速して第２の開口部を有するダイオード検出器で電子ビームの検出感度が最高となる正の電圧を印加するようにしている。

また、超高速電子検出器を組み込んだ走査型電子ビーム検査装置を構成するようにしている。

本発明は、電子ビームを超高速に検出するために、サンプルから放出された電子ビームあるいはサンプルで反射された電子ビームを第１の開口部で受光し、この受光された電子ビームあるいは受光されて増幅された電子ビームを加速すると共に第１の開口部の面積よりも小さい第２の開口部を有するダイオード検出器に縮小入射することにより、電子ビーム受光素子の面積を非常に小さくして超高速検出が可能となる。

また、本発明の超高速電子検出器を組み込んだ走査型電子ビーム検査装置では、サンプル（例えばマスク）から放出あるいは反射された電子ビームを超高速に検出して寸法測長、欠陥検出などの短時間に行い、スループットを大幅に向上できる。

また、シールドした場合には、電子ビーム装置のどこにでも配置できる効果がある。

また、寿命の長い超高速かつ大電流出力可能な電子検出器をうることができる。

本発明は、サンプルから放出された電子ビームあるいはサンプルで反射された電子ビームを第１の開口部で受光し、この受光された電子ビームあるいは受光されて増幅された電子ビームを加速すると共に第１の開口部の面積よりも小さい第２の開口部を有するダイオード検出器に縮小入射し、電子ビーム受光素子の面積を非常に小さくして超高速検出を実現した。

また、本発明の超高速電子検出器を組み込んだ走査型電子ビーム検査装置では、サンプル（例えばマスク）から放出あるいは反射された電子ビームを超高速に検出して寸法測長、欠陥検出などの短時間に行い、スループットの大幅な向上を実現した。

図１は、本発明の１実施例構成図を示す。図１はプライマリー電子ビーム１１をサンプル１に照射し、発生した２次電子、反射電子を第１の開口部２、第２の開口部４、フォトダイオード５の構成により超高速に信号電子（電子ビーム）１２を検出する構成を模式的に記載したものである。

図１において、サンプル１は、図示外の対物レンズで細く絞られたプライマリー電子ビーム１１を照射しつつ平面走査（Ｘ方向およびＹ方向の走査）し、放出あるいは反射された信号電子１２をもとに拡大画像を生成する対象の試料（例えばマスク）である。

第１の開口部２は、サンプル１から放出あるいは反射された信号電子１２を収集（必要に応じて正の電圧を印加して信号電子１２を収集）するものであって、導電性のメッシュ３や後述するＭＣＰ９などの信号電子１２を収集し通過あるいは収集して増幅し通過させるものである。

メッシュ３は、サンプル１から放出あるいは反射された信号電子１２を収集（２次電子のときは更に正の電圧を印加して収集）したり、更に反射させて増幅したりなどするものである。尚、メッシュ３の代わりに、後述するＭＣＰ９とし、当該ＭＣＰ８で入射した信号電子を増幅して出力したりするものである。

第２の開口部４は、メッシュ３（ＭＣＰ９など）を通過（あるいは増幅されて通過）し、所定電圧に加速された信号電子１２を検出する、第１の開口部２の面積よりも小さい面積を持つ開口部であって、当該第２の開口部４を有する検出器（図示ではフォトダイオード５）を配置する部分である。

フォトダイオード５は、第２の開口部４の面積を有する、信号電子１２を検出するダイオードの一例であって、例えばＰＮダイオード、ＰＩＮダイオード、アバランシェダイオード等の一般にフォトダイオードと呼ばれているもの、光通信で利用されるInGaAs/InP、ガリウムやインジウム、ヒ素、りんなどの化合物を用いたものであり、ＰＩＮダイオードやアバランシェダイオードを用いるときは適切な逆バイアスを印加したものである。いずれにしても、第１の開口部２を通過した信号電子１２を所定高電圧（例えば数ＫＶから数十ＫＶ程度）に加速した該信号電子１２を第２の開口部４を有するダイオード５で高感度に検出することができるものであれば、いずれのダイオードでもよい。

プライマリー電子通過穴６は、図示外の電子銃、集束レンズで集束された１次電子（例えば数ＫＶ以上に加速された１次電子）を、図示では右から左方向に通過させる軸上かつ同心円に設けた細い穴（１次電子が通過するに十分な例えば１ｍｍないし数ｍｍ直径の穴）である。

プライマリー電子ビーム１１は、プリマリー電子通過穴６を右から左方向に通過した１次電子ビームであって、図示外の偏向器によりサンプル１上を平面走査し、該サンプル１の表面から２次電子を放出させたり、反射電子を反射させたりなどするための１次電子ビームである。

信号電子１２は、プライマリー電子ビーム１１でサンプル１上を平面走査したときに放出された２次電子、反射された反射電子などである。

電界１３は、サンプル１と第１の開口部２を有するメッシュ３との間に電圧を印加して生成された電界を模式的に表したものであって、サンプル１から放出された特に２次電子（あるいは低加速の反射電子）を該メッシュ３に収集（吸引して収集）するためのものである。

吸引電圧１４は、サンプル１と第１の開口部２を有するメッシュ３との間に、信号電子１２を該メッシュ３の方向に吸引するための電界を発生させるための正の電圧である。

加速電圧１５は、第１の開口部２を有するメッシュ３と、第２の開口部４を有するフォトダイオード５との間に、メッシュ３を通過した信号電子１２を該フォトダイオード５の方向に加速するための電界を発生させる高電圧（例えば数ＫＶないし数十ＫＶ）である。

次に、図１の構成の動作を説明する。

（１）プリマリー電子通過穴６を右から左方向に通過した図示外の電子銃、集束レンズで発生・集束されたプライマリー電子ビーム１１は、サンプル１を照射した状態で、図示外の偏向器により所定領域が平面走査され、２次電子を放出、反射電子を反射する。

（２）（１）でサンプルから放出された２次電子（あるいは低加速の反射電子）はサンプル１と第１の開口部２を有するメッシュ３との間に正の吸引電圧１４が印加されているので、メッシュ３に向けて吸引される。実際にはサンプル１の右側は図示外の対物レンズの強磁界が存在するために、２次電子（信号電子１２）は軸上を螺旋しながら右方向に走行し、該磁界がなくなった場所で放射状に発散するが、このときにメッシュ３に印加された正の電圧（吸引電圧１４）に吸引されて該メッシュ３に向けて走行する。

（３）（２）でメッシュ３に向けて走行した信号電子１２は、第１の開口部２を有する該メッシュ３の穴を通過（あるいは穴の壁面に衝突して増幅されて通過）する。

（４）（３）でメッシュ３を通過した信号電子１２は、該メッシュ３と、第１の開口部２の面積よりも小さい面積を持つ第２の開口部４を有するフォトダイオード５との間に正の加速電圧（例えば数ＫＶから数十ＫＶ〜）１５が印加されているので、該加速電圧１５で加速されて第２の開口部４を有する該フォトダイオード５に入射する。

（５）（４）でフォトダイオード５に入射した高加速の信号電子１２は、該フォトダイオード５の内部で散乱を繰り返して増幅（例えば数千倍）され、図示外の出力端子から増幅された信号を出力する。

（６）（５）で出力された信号をもとに、サンプル１を平面走査した走査信号に同期して画像を図示外のディスプレイ上に表示する。

（７）以上により、サンプル１から放出・反射された信号電子１２を第１の開口部２を有するメッシュ３に集束し、該メッシュ３を通過した信号電子を第１の開口部２の面積よりも小さく、かつ高加速にして第２の開口部４を有するフォトダイオード５に入射し、該フォトダイオード５で増幅して出力することにより、信号電子１２を検出する検出面積を小さくしてフォトダイオード５の容量を小さくし、高速検出を可能にすると共に、信号電子１２を高電圧に加速してフォトダイオード５で増幅して高感度検出を可能にすることを同時に実現した。

（８）更に、詳述すれば、上述したフォトダイオード５は入射エネルギーに比例した電流に変換する装置である。フォトダイオード５に入射した信号電子１２は多重散乱を内部で起こし、入射エネルギーに比例した複数の電荷を発生させる。これにより、電子増倍作用が得られ、後述する図１２に示すように１５ＫＶ程度の入射エネルギーをもった信号電子１２の場合は、約３０００倍程度の増倍率が得られる。通常（従来）は、プライマリー電子ビーム１１の照射によって発生した信号電子１２の持つエネルギーを分析するために使われるので、信号電子１２のエネルギーのまま、フォトダイオード５に入射する使い方がされる。本発明では従来とは全く逆にフォトダイオード５に入射する電子のエネルギーが全てほぼ一定になるように、信号電子１２が本来持つエネルギーよりも非常に高いエネルギーを与えて（例えば２次電子の持つ数ｅＶのエネルギーよりも非常に高い１５ＫＶ程度の非常に高いエネルギーを与えて該２次電子（信号電子１２）のバラつきを低減して）、各１個の入射電子がほぼ同じだけ増幅されるようにしているという特徴がある。このようにすることで、プライマリー電子ビーム１１のサンプル１への照射により発生した電子（信号電子１２）の個数にほぼ比例した出力電流を図１のフォトダイオード５から得ることが出来るようになる。

（９）例えば、電子走査型の高速検査装置では、数十ｎＡ以上の照射電流が用いられるため、信号電子１２も数十ｎＡ以上が得られる。この信号電子１２を本発明の図１の装置で検出すればフォトダイオード５による数千倍の増幅作用で数十μＡ以上の大きな出力電流が得られる。この増幅率は信号電子（例えば２次電子）１２の電流量にほぼ正確に比例するため、信号電子１２の量に比例した出力電流量がフォトダイオード５から得られる。例えば、帯域が５００ＭＨｚの高速電流増幅アンプのノイズは数μＡ ＲＭＳのレベルである。数十マイクロアンペアー以上の図１の装置のフォトダイオード５からの出力電流があれば、検査に必要とされるＳＮＲ１０以上の画像を取得出来るようになるという効果が発生する。

以下順次詳細に説明する。

図２は、本発明のＰＮダイオード構造例を示す。

図２の（ａ）は上面模式図を示し、図２の（ｂ）は断面模式図を示し、図２の（ｃ）は等価回路を示す。

図２において、図示のＰＮダイオードは、既述した図１のフォトダイオード５の構造を模式的に示した１例であって、図２の（ａ）、（ｂ）に示すように、例えば直径７ｍｍ程度で、幅１ｍｍ程度の円環状のＰＮダイオードである。この円環状のＰＮダイオードの部分が図１の第２の開口部４に相当し、該第２の開口部４を有するフォトダイオード５が本発明に係わるものであって、信号電子１２がこの第１の開口部２よりも小さく縮小されて第２の開口部４に集束され、図２の円環状の部分を有するＰＮダイオードで増幅検出されるものである。尚、ＰＮダイオードの中心には、図１で既述したプライマリー電子通過穴（例えば１ｍｍないし数ｍｍ）６を設けてもよい。

以上のように、円環状のＰＮダイオードの部分で縮小された信号電子１２が検出されるため、上記（８）、（９）で説明したように、該ＰＮダイオードの検出面の面積を小さくして容量を小さくし、かつ該ＰＮダイオードの検出領域で入射した高加速の信号電子１２を多重散乱させて１０００倍程度に増幅（後述する図１２参照）することにより、高速かつ高感度に信号電子１２を検出することが可能となる。

図３は、本発明の他の実施例構成図（その１）を示す。図３は、プライマリー電子通過穴６の部分にリターディング電極７、および外周部にガード電極８を設けた例を示す。他の構成は図１と同一であるので、説明を省略する。

図３において、リターディング電極７は、プライマリー電子ビーム１１をサンプル１に照射し、そのときに放出された信号電子１２のうち低加速の電子（２次電子、低加速の電子）が逆方向（図３で左から右方向）にプライマリー電子通過穴６を通過してしまう事態を回避し、負の電圧を印加して第１の開口部２を有するメッシュ３に吸引されるようにするための負の電圧を印加する円筒状の電極である。

リターディング電界７−１は、リターディング電極７に負の所定電圧を印加したことで、サンプル１から放出された信号電子１２のうち低加速の電子（２次電子、反射電子のうちの低加速の電子）を偏向して第１の開口部２を有するメッシュ３に収集させるための電界である。

以上のように、第１の開口部２および第２の開口部４の軸の近傍に円筒状のリターディング電極７を配置し、負の電圧を印加してリターディング電界７−１を発生させることにより、サンプル１から放出された低加速の信号電子１２がプライマリー電子通過穴６を逆方向に通過することを防止し、第１の開口部２を有するメッシュ３に収集させ、信号電子１２の収集効率を高めることが可能となる。

また、図３において、ガード電極８は、第１の開口部２を有するメッシュ３を通過（あるいは増幅して通過）して加速された信号電子１２が、第１の開口部２の面積よりも小さい第２の開口部４を有するフォトダイオード５（既述した図２の（ａ）参照）の外側への照射を防止し、フォトダイオード５の円環状の部分に縮小照射して高効率に収集するように、電界を印加するための電極である。

以上のように、図１の第１の開口部２と、該第１の開口部２の面積よりも小さい面積の第２の開口部４との間の外側に、信号電子１２が逃げないようにガード電極８に負の電圧を印加することにより、第１の開口部２を有するメッシュ３を通過（増幅して通過）して加速された信号電子を、全て縮小して第２の開口部４を有するフォトダイオード５の円環状の部分に照射し、収集効率を高めることが可能となる。

図４は、本発明の他の実施例構成図（その２）を示す。図４は、図１のメッシュ３の代わりにＭＣＰ９を設けた他の実施例構成図を示す。

図４の（ａ）は構成図を示し、図４の（ｂ）はＭＣＰ９のチャンネルを拡大した模式図を示し、図４の（ｃ）はチャンネルを拡大した信号電子の増幅の様子を模式的に示す。

図４において、ＭＣＰ９は、中心に穴のあいたマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）と呼ばれる電子増倍デバイスであって、数ＫＶのバイアス電圧を印加して使用するデバイスである。１枚のＭＣＰ９で最大１０００倍程度増幅することができる。２枚利用すれば最大１００万倍増幅することもできる。本発明では直線性が担保できる比較的低い増幅率の範囲で利用することに特徴がある。

次に、動作を説明する。

（１）サンプル１から放出された信号電子１２が第１の開口部２を有するＭＣＰ９に入射すると、入射した信号電子１２はバイアス電圧の印加されたＭＣＰ９によって１０倍から１０００倍程度に増幅される。

（２）ＭＣＰ９で増倍された信号電子１２のエネルギーは一旦２次電子程度の低いエネルギーの信号電子１２に戻っている。そのためＭＣＰ９を通過した信号電子１２は電界型あるいは磁界型あるいは両者型の電子収束手段１０によって容易に第１の開口部２よりも小さい面積の第２の開口部４を持つフォトダイオード５の検出部分（図２参照）に集束（縮小）され、かつ、第１の開口部２を有するＭＣＰ９と第２の開口部４を有するフォトダイオード５との間に印加された加速電圧１４により加速され、フォトダイオード５に高加速の信号電子１２が入射される。フォトダイオード５は１つでも良いし、複数の小さな開口面積を持つフォトダイオード５を幾つか並列に並べても良い。もちろんプライマリー電子ビーム１１が通過できる穴を確保した円環状あるいは貫通穴が空いているフォトダイオード５でも良い。フォトダイオード５は既述したように図１２に示す入射エネルギーに比例した電子増倍作用を示すため、信号電子１２は入射エネルギーに比例して増幅される。

（３）本発明では、従来とは異なり、フォトダイオード５に入射する時のエネルギーが信号電子１２の発生時のエネルギーでは無く、後から加える加速電圧１４に比例したエネルギーになることに特徴がある。例えば１５ＫＶのバイアス電圧（加速電圧１５）を用いて信号電子１２を加速した後フォトダイオード５に入射するとそれぞれの信号電子１２をもとの信号電子１２のエネルギーとは無関係に約３０００倍に増倍することができる。信号電子１２の検出器の総合倍率はＭＣＰ９の倍率とフォトダイオード５の倍率とを乗算したものになる。フォトダイオード５はＭＣＰ９と異なり出力抵抗が非常に小さいため、飽和がなかなかしないので、入射電子数が多い場合には最大数百ｍＡの出力電流を取ることができる。

以上の図４に示すようにＭＣＰ９とフォトダイオード５を組み合わせ、両者が増幅直線性を保っている増幅状態で利用することにより、通常のＳＥＭ観察で利用する数ｐＡ程度の極小電流から高速検査装置で通常利用される数十ｎＡ以上の大電流信号電子までをリニアリティーを保ったまま１００ｍＡ以上の電流に増倍することが出来る。

（４）尚、図１２に示すように、フォトダイオード５で増倍された信号電子１２は数十μＡから数百ｍＡの信号電流となり、帯域が１ＧＨｚある超高速電流電圧変換アンプによって電圧信号に変換できる。帯域１ＧＨｚの高速アンプのノイズレベルは数μＡ ＲＭＳオーダーなので、ＳＮＲ１０以上の高品質のアナログ信号を容易に得ることが出来る。ＳＮＲが十分大きいので、帯域をもっと広げることも可能である。出力電流が１００ｍＡと大きい場合には、５０Ω程度の抵抗で終端するだけで十分な電圧に変換できる。このアナログ信号を高速Ａ／Ｄ変換器にて所望のビット数のデジタル信号に変換してコンピュータに取り込み画像処理をして画像形成、測定、検査等に利用することができる。

図５は、本発明の他の実施例構成図（その３）を示す。図５は、図４の電子集束手段１０として磁界型の集束レンズ２１を用いた他の実施例構成図を示す。

図５において、集束レンズ２１は、入射した信号電子１２をさらに小さなフォトダイオード５に縮小するために、第１の開口部２を有するメッシュ３（あるいはＭＣＰ９）と、第２の開口部４を有するフォトダイオード５との外周周辺に配置された磁界型の集束レンズである。集束レンズ２１は電磁レンズであり、磁場を発生させるコイルあるいは永久磁石とポールピースからなり、ポールピースには僅かなギャップがあって、その場所から強い磁場が漏れてレンズとして働くものである。尚、磁界型の集束レンズ２１に限られることなく、静電型の集束レンズ２１でもよい。

リターディング電極７は、既述したように、信号電子１２を第１の開口部２を有するメッシュ３に集束するための負の電圧を印加する電極である。

次に、動作を説明する。

（１）第１開口部２を有するメッシュ３（あるいはＭＣＰ９）を通過した増幅された信号電子１２は、電磁型の集束レンズ２１によって集束（縮小）され、第２の開口部４を有する小型フォトダイオード５（図２参照）に入射される。

（２）集束（縮小）された信号電子１２は小型フォトダイオード５に入射するのに最適な加速電圧１４によって加速される。また、縮小された信号電子１２が入射する第２の開口部４を有する小型フォトダイオード５の検出領域には、超小型のＧＨｚに応答する高速フォトダイオードが存在し、高速の信号電子の散乱毎に電子を増幅し、検出・増幅した信号電子１２に対応する信号を出力する。

（３）この際、図５の集束レンズ２１を利用することで、信号電子１２を第１の開口部２の面積よりも小さい第２の開口部４の面積に更に小さく縮小することが可能となり、かつ、面積が小さくなったことに対応した小型フォトダイオード５に垂直に入射させることができるため、無駄なく高効率に信号電子１２を増幅することができるようになる。

図６は、本発明の他の実施例構成図（その４）を示す。

図６において、電子検出器ユニット２２は、数ｃｍ程度のサイズを持つ第１の開口部２を有する導電性のメッシュ３（あるいはＭＣＰ９）、第２の開口部４を有する小型フォトダイオード５をパーマロイ等の高透磁率を有する磁気シールド部材で囲み内部の電磁レンズが発生する磁場などが外部の電子ビームに影響を与えないようにシールド、および全体を１つの部品として扱えるように一体化（ユニット化）したものである。

第１の開口部２を有するメッシュ３（あるいはＭＣＰ９）は、サンプル１から放出、反射された信号電子１２を収集するものである。

集束レンズ２１は、第１の開口部２を有するメッシュ３を通過した信号電子１２を、第２の開口部４を有する小型フォトダイオード５の検出領域に集束（縮小）するレンズであって、磁界型レンズ（あるいは静電型レンズ）である。

磁気シールド２３（あるいは静電シールド２３）は、内部に設けた集束レンズ（磁界型、静電型）２１、加速電圧１４などの影響が外部の電子ビームに影響を与えないようにシールド（磁気シールド、静電シールド）するために磁性材（導電材）で囲むものである。

以上により、第１の開口部２を有するメッシュ３（あるいはＭＣＰ９）のみが外部に開放されている面に限ることにより、内部にある集束レンズ２１および加速電圧１４などが発生する磁場、電界が外部に漏れるのを阻止し、これらが外部の電子ビームに影響を与えることを防止できる。

尚１：図６では第１の開口部２を有するメッシュ３と記載されているが、ＭＣＰ９に代えてもよい。

尚２：図６では集束レンズ２１として磁界型の集束レンズの構成が記載されているが、静電型の集束レンズ２１に代えてもよい（後述する図７参照）。

尚３：図６では、サンプル１から放出、反射された信号電子１２を第１の開口部２を有するメッシュ３（あるいはＭＣＰ９）に入射している構成が記載されているが、このメッシュ３（あるいはＭＣＰ９）を無くし、サンプル１から放出、反射された信号電子１２を第１の開口部２をそのまま通過させ、集束レンズ２１で縮小し、加速して直接に第２の開口部４を有する小型フォトダイオード５に入射するようにしてもよい。

尚４：図６の第２の開口部４を有する小型フォトダイオード５の前面に、更に、入射した信号電子１２を加速あるいは減速するための電圧を印加するメッシュ３−１を設け、このメッシュ３−１と小型フォトダイオード５との間に信号電子１２を加速あるいは減速する任意電圧を印加し、加速あるいは減速した信号電子１２を小型フォトダイオード５に入射させ、増幅率を増減したり、所望増幅率になるように調整したり、増幅率が可及的に高くかつ直線性の良好な範囲に調整したりしてもよい。

図７は、本発明の他の実施例構成図（その５）を示す。図７は、図６に記載の磁界型の集束レンズ２１を静電型の集束レンズ２１に、磁気シールド２３を静電シールド２３にそれぞれ代えた構成を示したものである。

図７において、集束レンズ２１は、静電型の集束レンズであって、所定電圧を静電型のレンズの電極として図示の構成にして印加し、第１の開口部２を有するメッシュ３（あるいはＭＣＰ９）を通過した信号電子１２を、縮小して第２の開口部４を有する小型フォトダイオード５の検出面に入射させるものである。

静電シールド２３は、電子検出器ユニット２２を構成する第１の開口部２を有するメッシュ３（あるいはＭＣＰ９）、集束レンズ２１（静電型）、第２の開口部４を有する小型フォトダイオード５を収納する容器の材料であって、内部に発生する電界ノイズなどが外部に漏洩することを防止するものである。

以上により、第１の開口部２を有するメッシュ３（あるいはＭＣＰ９）のみが外部に開放されている面に限ることにより、内部にある集束レンズ２１および加速電圧１４などが発生するここでは電界が外部に漏れるのを阻止し、これらが外部の電子ビームに影響を与えることを防止できる。

図８は、本発明の他の実施例構成図（その６）を示す。図８は、第１の開口部２の内側に円筒状のリターディング電極７を配置、および第２の開口部４を有する小型フォトダイオード５の前面にメッシュ３−１を配置した構成例を示す。

図８において、リターディング電極７は、サンプル１から放出、反射された信号電子１２のうち低加速の信号電子（２次電子、低加速の反射電子）１２が逆方向に走行するのを阻止し、第１の開口部２を有するＭＣＰ９（あるいはメッシュ３）に入射する電界を発生させる電圧を印加する、内部にプライマリー電子ビーム１１が通過する穴を有する円筒状の電極である。

メッシュ３−１は、第２の開口部４を有する小型フォトダイオード５の前面に配置したメッシュであって、該メッシュ３−１と小型フォトダイオード５との間に電圧を印加し、小型フォトダイオード５に入射する信号電子１２のエネルギーを調整（増減）し、増幅率を増減したり、所望増幅率になるように調整したり、増幅率が可及的に高くかつ直線性の良好な範囲に調整したりなどするためのものである。メッシュ３−１は、既述した第１の開口部２を有するメッシュ３のうちのいずれか、あるいは両者を設けるようにしてもよい。

図９は、本発明の他の実施例構成図（その７）を示す。図９は、図６から図８に記載した電子検出器ユニット２２の中心（軸）部分にプライマリー電子ビーム１１が通過する穴を設けると共に当該穴の部分にリターディング電極７を設けて走査型電子顕微鏡に組み込んだ様子を模式的に示したものである。

ここでは、図示の電子検出器ユニット２２は、第１の開口部２を有するＭＣＰ９，集束レンズ（電磁型、静電型）２１、第１の開口部２の面積より小さい面積の第２の開口部４を有するフォトダイオード５からなり、中心（軸）にプライマリー電子ビーム１１を通過させる穴および当該穴の部分にリターディング電極７を設けた構成としている。

以上の構成を走査型電子顕微鏡に組み込むことにより、プライマリー電子ビーム１１をサンプル１に照射しつつ平面走査し、そのときに放出された２次電子、反射された反射電子などからなる信号電子１２を第１の開口部２を有するＭＣＰ９で収集・増幅し、集束レンズ（電磁型、静電型）２１で縮小（第１の開口部２の面積よりも小さい第２の開口部４の面積に縮小）し、加速電圧１４で加速した信号電子１２をフォトダイオード５に入射して増幅することにより、信号電子１２を検出する検出面積を小さくしてフォトダイオード５の検出面の面積を小にして容量を小さくし、高速検出を可能にすると共に、信号電子１２をフロント部分でＭＣＰ９で増幅し、更に高電圧に加速してフォトダイオード５で増幅して高感度検出を可能にすることを同時に実現した。

図１０は、本発明の他の実施例構成図（その８）を示す。図１０は、図６から図８に記載した電子検出器ユニット２２の４つを、図示のように、軸（プライマリー電子ビームが通過する軸）を中心に配置すると共に、軸の周りにリターディング電極７を設けて走査型電子顕微鏡に組み込んだ様子を模式的に示したものである。

ここでは、図示の４つの電子検出器ユニット２２は、図６から図８で既述した第１の開口部２を有するＭＣＰ９（あるいはメッシュ３），集束レンズ（電磁型、静電型）２１、第１の開口部２の面積より小さい面積の第２の開口部４を有するフォトダイオード５などからなるものである。

以上の構成を走査型電子顕微鏡に組み込むことにより、プライマリー電子ビーム１１をサンプル１に照射しつつ平面走査し、そのときに放出された２次電子、反射された反射電子などからなる信号電子１２を、４つの電子検出器ユニット２２でそれぞれ検出・増幅することにより、各電子検出ユニット２２でそれぞれ高速検出できると共に、高感度検出できる。

更に、４つを軸の周りに対称に配置し、例えば
（１）左右差信号＝（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）
（２）上下差信号＝（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）
の演算を行なうことにより、左右方向あるいは上下方向の差信号の画像を表示し、左右方向あるいは上下方向から見た強調表示画像を表示することが可能となる。

例えば真上からの観察では分かりにくい、斜め方向のｎｍオーダー厚みのＣｒ薄膜のパターンエッジから放出、反射された信号電子１２を上記（１）あるいは（２）のような差信号を演算して強調し、境界のはっきりした画像を得ることが出来る。

尚、図１０では４つの電子検出器ユニット２２を配置したが、これに限られず、１つの電子検出器ユニット２２を配置してフォトダイオード５について既述した図２のリング状の部分を４つに分割（上下左右に４分割）したり、２つの電子検出器ユニット２２を配置して各フォトダイオード５について既述した図２のリング状の部分を２つにそれぞれ分割（１つを上下に２分割、および他の１つを左右に２分割）したりしてもよい。

図１１は、本発明の説明図（その１）を示す。図１１は、既述した図１から図１０で用いた本発明の信号電子１２の検出・増幅系を模式的に表したものである。

図１１の（ａ）は回路構成例を示し、図１１の（ｂ）は等価回路例を示す。

図１１において、信号電子１２は、図１から図１０に記載した、プライマリー電子ビーム１１をサンプル１に照射しつつ平面走査したときに該サンプル１から放出された２次電子、反射された反射電子などからなる信号電子である。

ＭＣＰ９あるいはメッシュ３（メッシュ３−１）は、第１の開口部２を有し、信号電子１２を収集し、増幅するものである。

フォトダイオード５は、第１の開口部２の面積よりも小さい面積を持つ第２の開口部４を有するダイオードであって、検出面積を小さくして高速検出可能、かつ信号電子１２を加速して入射して増幅するものである。

Ｉ／Ｖアンプは、電流を電圧に変換する、低ノイズのアンプである。

Ａ／Ｄは、アナログ信号をデジタル信号に高速変換する変換器である。

以上の構成を採用することにより、図１から図１０で既述したサンプル１から放出、反射された信号電子１２の面積を縮小かつ加速して小さな検出面積を有するダイオード５に入射して検出・増幅することにより、超高速かつ高Ｓ／Ｎ比の画像信号を取得することが可能となる。

図１２は、フォトダイオードの像倍率ー電子エネルギーの説明図を示す。図１２において、横軸は電子のエネルギー（ＫｅＶ）を表し、縦軸は増倍率を表す。

図１２に示す曲線は、フォトダイオードに入射する電子エネルギー（ＫｅＶ）に対する入射した電子の像倍率の関係を表したものであって、数ＫＶから数十ＫＶの範囲で図示のような増加傾向を持つ曲線となる。

図１３は、本発明の説明図（その２）を示す。図２において、横軸はフォトダイオードの検出器面積（平方ｍｍ）を表し、縦軸はフォトダイオードの応答速度（ｎｓ）を表す。

図１３において、本発明の領域は、高速増幅可能なフォトダイオードの検出器面積の例を表し、ここでは、１０平方ｍｍ以下であって、そのときの応答速度は１０ｎｓ以下である。それ以上は従来の領域である。

したがって、本発明では、サンプル１から放出、反射された信号電子が入射する第１の開口部２を有するメッシュ３（あるいはＭＣＰ９）を通過（増幅・通過）した信号電子１２を、集束レンズ２１により第１の開口部２の面積よりも小さい第２の開口部４を有する小型のフォトダイオード５の検出領域に縮小・加速して入射し、該フォトダイオード５で高速検出かつ増幅することにより、超高速かつ低ノイズの画像信号を取得することが可能となった。

本発明の１実施例構成図である。 本発明のＰＮダイオード構造例である。 本発明の他の実施例構成図（その１）である。 本発明の他の実施例構成図（その２）である。 本発明の他の実施例構成図（その３）である。 本発明の他の実施例構成図（その４）である。 本発明の他の実施例構成図（その５）である。 本発明の他の実施例構成図（その６）である。 本発明の他の実施例構成図（その７）である。 本発明の他の実施例構成図（その８）である。 本発明の説明図（その１）である。 フォトダイオードの像倍率ー電子エネルギーの説明図である。 本発明の説明図（その２）である。

１：サンプル
２：第１の開口部
３、３−１：メッシュ
４：第２の開口部
５：ダイオード、フォトダイオード、小型ダイオード
６：プライマリー電子通過穴
７：リターディング電極
７−１：リターディング電界
８：ガード電極
９：ＭＣＰ
９−１：チャンネル
９−２：信号電子
１０：電子集束手段
１１：プライマリー電子ビーム
１２：信号電子
１３：電界
１４：吸引電圧
１５：加速電圧
２１：集束レンズ
２２：電子検出器ユニット
２３：シールド、磁気シールド、静電シールド
２５：電子銃
２６：偏向器

Claims (10)

1. サンプルから放出あるいはサンプルで反射された電子ビームを超高速に検出する超高速電子検出器において、
   前記サンプルから放出された電子ビームあるいはサンプルで反射された電子ビームを受ける第１の開口部と、
   前記第１の開口部で受けられた電子ビームあるいは受けられて増幅された電子ビームを、加速する加速電圧を印加し、かつ前記第１の開口部の面積よりも小さい第２の開口部を有するダイオード検出器と、
   前記第１の開口部で受けられた電子ビームあるいは受けられて増幅された電子ビームの面積を縮小して一定のエネルギーに加速して第２の開口部に入射させる縮小入射手段と
   を備え、
   サンプルから放出あるいは反射された電子数とダイオード検出器で検出される検出電流量とを比例関係にしたことを特徴とする超高速電子検出器。
2. 前記第１の開口部は、当該第１の開口部を有するメッシュあるいはＭＣＰとしたことを特徴とする請求項１記載の超高速電子検出器。
3. 前記第２の開口部を有するダイオード検出器として、超高速動作可能かつ電子を検出可能なダイオードとしたことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の超高速電子検出器。
4. 前記第１の開口部および前記第２の開口部のいずれか１つ以上に、当該開口部の軸に同軸にチューブ状であって、かつ前記電子ビームを当該軸の中心から所定距離離れた円環状に偏向する電圧を印加するリターリング電極を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の超高速電子検出器。
5. 前記第１の開口部と前記第２の開口部との間に静電レンズを設けると共に前記第１の開口部と前記第２の開口部との間に加速電圧を印加し、第１の開口部から放出された電子ビームの面積を縮小かつ加速して第２の開口部に入射させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の超高速電子検出器。
6. 前記第１の開口部と前記第２の開口部との間に磁界レンズを設けると共に加速電圧を印加し、第１の開口部から放出された電子ビームの面積を縮小かつ加速して第２の開口部に入射させることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の超高速電子検出器。
7. 前記第１の開口部から第２の開口部を有するダイオード検出器までの部分（第１の開口部自身を除く）を磁気シールドおよび静電シールドのいずれか１つ以上の構造を持たせ、ノイズの影響を低減したことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の超高速電子検出器。
8. 前記サンプルと前記第１の開口部との間に、当該サンプルから放出された２次電子を吸引する正の数Ｖ以上の電圧を印加したことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の超高速電子検出器。
9. 前記第１の開口部と前記第２の開口部との間に当該第１の開口部から放出された電子ビームを加速して当該第２の開口部を有する前記ダイオード検出器で電子ビームの検出感度が最高となる正の電圧を印加したことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の超高速電子検出器。
10. 請求項１から請求項９記載のいずれかの超高速電子検出器を組み込んだ走査型電子ビーム検査装置。

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