WO2011108368A1 - 走査電子顕微鏡及びそれを用いた検査方法 - Google Patents

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健良 大橋
香織 白幡
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    • H01J2237/2611—Stereoscopic measurements and/or imaging

Definitions

  • the present invention relates to a scanning electron microscope used for inspection and measurement and an inspection method using the same.
  • a scanning electron microscope (SEM) used for observation, inspection, and measurement of a sample using an electron beam accelerates electrons emitted from the electron source and irradiates them by focusing on the sample surface with an electrostatic or electromagnetic lens. This is called a primary electron. Secondary electrons and reflected electrons are generated from the sample by the incidence of primary electrons. By detecting these secondary electrons and reflected electrons while deflecting and scanning the electron beam, a scanned image of a fine pattern and composition distribution on the sample can be obtained. (For example, see Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1)
  • Two desirable functions in a scanning electron microscope are: (1) a wide field of view can be scanned without significantly reducing the resolution of the electron beam, and (2) an image can be obtained with an inclined beam. Can be mentioned.
  • semiconductors become finer, a two-dimensional high-speed inspection of a resist pattern has become necessary, and scanning with a wide field of view is required for expanding the inspection region and reducing shrinkage.
  • device structures have been three-dimensionalized, and it has become necessary to form inclined beams for three-dimensional inspection. In order to achieve these objects, it is necessary to reduce the deflection aberration caused by the deflection of the electron beam.
  • Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose a technique in which a plurality of electromagnetic deflectors are installed so as to overlap the cuts of the magnetic body of the electromagnetic lens immediately above the sample, that is, to overlap the magnetic field of the electron lens.
  • Patent Document 2 discloses an example in which a plurality of electromagnetic deflectors are provided and electrodes are provided so as to overlap with the magnetic field of the electron lens.
  • the electromagnetic lens and the electromagnetic deflector are arranged to overlap each other (for example, the height in the vertical direction).
  • the conventional method makes it physically difficult to install the electromagnetic deflector. It is also difficult to realize wide field deflection and a tilted beam having a desired angle with the same electromagnetic deflector arrangement.
  • An object of the present invention is to provide a scanning electron microscope with small aberration and high resolution that can realize a wide field deflection and a tilted beam of a desired angle, and an inspection method using the same.
  • an electron source an electromagnetic lens that converges and irradiates an electron beam emitted from the electron source, a secondary electron signal and reflected electrons generated from the sample
  • a scanning electron microscope having a control electrode for accelerating or decelerating the beam.
  • An electron source an electromagnetic lens that converges and irradiates the electron beam emitted from the electron source; and means for obtaining a sample image based on secondary electron signals and reflected electrons generated from the sample;
  • a two-stage control for accelerating or decelerating the electron beam provided at a position where the electromagnetic deflector provided above the electromagnetic lens and the vertical position overlap with the electromagnetic deflector.
  • a scanning electron microscope characterized by having an electrode.
  • the inspection method using the scanning electron microscope includes a step of accelerating the electron beam by the control electrode and irradiating the sample, and a sample based on a secondary electron signal or reflected electrons generated from the sample. And a step of obtaining an image.
  • the electron beam is decelerated by the control electrode and irradiated on the sample from an oblique direction, and secondary electron signals and reflected electrons generated from the sample are applied to the sample. And a step of obtaining a sample image on the basis of the inspection method.
  • an electromagnetic deflector provided above the electromagnetic lens and a control electrode provided at a position where the height position overlaps the electromagnetic deflector with respect to the vertical direction, wide field deflection and an inclined beam of a desired angle Therefore, it is possible to provide a high-resolution scanning electron microscope with small aberration and an inspection method using the same.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a scanning electron microscope according to Example 1.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of main electron optical systems of a scanning electron microscope according to Example 1.
  • FIG. 1 is a top view of main electron optical systems of a scanning electron microscope according to Example 1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of main electron optical systems of a scanning electron microscope according to Example 2.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of main electron optical systems of a scanning electron microscope according to Embodiment 3.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of main electron optical systems of a scanning electron microscope according to Example 4.
  • FIG. It is an electron orbit figure in the case of wide field deflection. It is an electron orbit figure in the case of an inclined beam.
  • the main feature is that an electromagnetic deflector is provided above the electromagnetic lens directly above the sample, and an electrode for accelerating or decelerating electrons is provided so as to overlap with the electromagnetic deflector (for example, the height position overlaps with the vertical direction). . That is, the main feature is that an electrostatic lens is provided above the electromagnetic lens directly above the sample so as to overlap the electromagnetic deflector.
  • the electrode By providing the electrode, it becomes possible to control the energy of electrons in the region where the electromagnetic deflector acts, and therefore it is possible to control the deflection chromatic aberration caused by the electromagnetic deflector. As a result, a tilt beam having a wide field deflection and a desired angle can be realized without interfering with the electromagnetic lens.
  • FIG. 1 The first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3, 7 and 8.
  • FIG. 1 The first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3, 7 and 8.
  • FIG. 1 is an overall schematic diagram of a scanning electron microscope according to the first embodiment.
  • the electron beam 102 emitted from the electron gun 101 is imaged on the sample by the condenser lens 103 and the electromagnetic lens 108.
  • the objective lens is mainly composed of an electromagnetic lens 108 and an electrostatic lens generated by an electric field between the electromagnetic lens 108 and the sample 109.
  • the secondary electrons and reflected electrons 104 emitted from the sample are detected by a detector 105 in the middle.
  • the electron beam on the sample is scanned two-dimensionally by the electromagnetic deflector 106, and as a result, a two-dimensional image can be obtained.
  • the two-dimensional image is displayed on the display device 119.
  • Reference numeral 110 is a holder for placing a sample
  • reference numeral 111 is an electron gun controller
  • reference numeral 112 is a condenser lens controller
  • reference numeral 114 is a scanning deflector controller
  • reference numeral 115 is an electromagnetic lens controller
  • reference numeral 116 is a sample voltage controller.
  • Reference numeral 117 denotes a storage device
  • reference numeral 118 denotes a control calculation unit of the entire apparatus.
  • FIG. 2 and 3 show a part of the electro-optical configuration in the apparatus.
  • FIG. 2 is a schematic sectional view and FIG. 3 is a top view.
  • the electromagnetic deflector 201 uses two stages in conjunction with each other, and a control electrode 202 capable of accelerating or decelerating electrons overlaps the electromagnetic deflector (with respect to the vertical direction). (Positions overlap).
  • the inside of the control electrode has a cylindrical shape as shown in FIG. 3, and accelerates or decelerates electrons by applying a potential.
  • the lower end of this electrode is above the opening 210 of the magnetic body of the electromagnetic lens 207 immediately above the sample, and avoids interference with the electromagnetic lens.
  • the electromagnetic lens 207 is large and includes an upper magnetic path 204, a lower magnetic path 205, and an electromagnetic coil 206 made of a magnetic material.
  • a positive potential is applied to a portion (upper magnetic path) 204 of the magnetic body of the electromagnetic lens, and axial aberrations are reduced by accelerating electrons.
  • the additional electrode 203 exists above the upper end of the control electrode according to the present embodiment, and as a result, the electrostatic lens composed of three electrodes overlaps the electromagnetic deflector.
  • the upper electrode is a ground electrode.
  • Reference numeral 208 denotes a sample.
  • the effect of the control electrode in this embodiment is first in controlling deflection chromatic aberration.
  • deflection chromatic aberration is the most important aberration among deflection aberrations.
  • the deflection chromatic aberration includes a deflection chromatic aberration caused by a deflector in which a difference in deflection sensitivity of the deflector is caused by a difference in electron velocity, and a deflection chromatic aberration caused by a lens in which a difference in focal length of the lens is caused by a difference in electron velocity. Since the final deflection chromatic aberration is the sum of the two, if the deflection chromatic aberration caused by the deflector changes, the final deflection chromatic aberration also changes.
  • Fig. 7 shows a conceptual diagram of the electron orbit.
  • Slow electrons having low energy with respect to the fast electron trajectory A701 both have a large deflection effect of the deflector and a lens effect of the lens.
  • the low-speed electron trajectory A702 in FIG. 7 is a trajectory when only the deflection action works greatly, and the low-speed electron orbit B703 is a trajectory when only the lens action works greatly.
  • the difference in position between the low-speed trajectory and the high-speed trajectory on the sample is the deflection chromatic aberration, which is the chromatic aberration caused by the deflector and the chromatic aberration caused by the lens, respectively.
  • the chromatic aberration caused by the deflector acts in the direction in which the chromatic aberration caused by the lens is integrated.
  • the deflection chromatic aberration caused by the deflector can be reduced, and the resolution can be prevented from deteriorating when deflecting a wide field of view.
  • the electromagnetic deflector 201 and the control electrode 202 are installed apart from the electromagnetic lens, there are few physical restrictions, and compatibility with the electromagnetic lens 207 with a short focus and high resolution is possible.
  • the deflection chromatic aberration caused by the lens mainly occurs in the vicinity of the sample, but a certain amount of the deflection chromatic aberration caused by the lens also occurs in this region.
  • the control electrode 202 by applying a voltage to the control electrode 202, the potential difference from a portion (upper magnetic path) 204 of the magnetic material is reduced, and the lens effect is weakened, so that the deflection chromatic aberration due to the lens can be reduced. That is, the electromagnetic deflector 201 is disposed in the electrostatic lens above the electromagnetic lens 207, and an aberration reduction effect due to in-lens deflection is obtained.
  • an additional electrode 203 exists between the electromagnetic deflector 201 and the control electrode 202. That is, there are double electrodes inside the position overlapping with the electromagnetic deflector 201. In this embodiment, electrons are accelerated or decelerated by the inner control electrode 202 of the two.
  • the outer additional electrode 203 is grounded and serves as a vacuum partition for keeping the electron beam path in a vacuum. The effect of this structure is that the vacuum partition can be grounded by controlling the electron beam with a separate electrode from the vacuum partition, and the mechanical structure is simplified.
  • the control electrode 202 has a structure spreading outward near the lower end, and shields the electron beam passage region from the external potential. This ensures the effect of the control electrode 202.
  • Fig. 8 shows the electron trajectory when the tilted beam is formed.
  • the slow electron trajectory C802 is obtained by increasing only the deflection action
  • the slow electron trajectory D803 is obtained by increasing only the lens action.
  • the deviation between the slow electron orbit D803 and the fast electron orbit B801 and the deviation between the slow electron orbit C and the fast electron orbit B are in the opposite directions.
  • the resolution of the tilted beam can be improved by canceling the deflection chromatic aberration caused by the deflector that controls the deflection chromatic aberration caused by the lens, which is generated when the trajectory of the chromatic aberration tilted beam caused by the lens is made.
  • the tilt angle there is a correlation between the tilt angle and the chromatic aberration caused by the lens, and the greater the canceling chromatic aberration, the larger the tilt angle can be obtained.
  • the resolution of the electron beam tilted by 4 degrees could be 3 nm. This is a significant improvement in resolution compared to the conventional 7 nm. As a result, it is possible to observe the side wall of the reverse-tapered line pattern, and to manage the taper angle.
  • this embodiment not only enables wide field of view deflection and tilted beam, but also allows switching only by changing the potential of the control electrode 202 according to each mode. Specifically, it accelerates in the wide field mode and decelerates in the tilt beam mode. In this case, since the control electrode is located above the electromagnetic lens, it is also a great feature that switching is possible without interference with the electromagnetic lens.
  • a scanning electron microscope having a small aberration and a high resolution capable of realizing a wide field deflection and a tilted beam having a desired angle, and an inspection method using the same. I was able to.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of the main part of the electron optical configuration of the scanning electron microscope according to the present embodiment.
  • the overall configuration of the apparatus is the same as that of the first embodiment.
  • an electrostatic deflector 301 is provided on the control electrode 202.
  • the electrostatic deflector 301 is for performing minute deflection.
  • the electromagnetic deflector 201 largely deflects the electron beam on the sample surface, and then two-dimensional scanning is performed in conjunction with the two stages of the electrostatic deflector. I do. Since the electrostatic deflector 301 can increase the scanning speed (about 4 times that of the electromagnetic deflector), it is effective in suppressing charging of the insulator sample.
  • the electrostatic deflector is installed above the control electrode in order to prevent interference between the electrostatic deflector and the control electrode.
  • the electrostatic deflector used in this example is an octupole electrostatic deflector.
  • a scanning electron microscope having a small aberration and a high resolution capable of realizing a wide field deflection and a tilted beam having a desired angle, and an inspection method using the same. I was able to. Further, by providing an electrostatic deflector, high resolution measurement could be realized even with an insulating film pattern.
  • FIG. 5 shows a cross section of the main part of the electron optical configuration of the scanning electron microscope according to the present embodiment.
  • the overall configuration of the apparatus is the same as that of the first embodiment.
  • the control electrode 403 is short and the position of the electromagnetic deflector 201 overlaps, but does not necessarily cover the whole. The effect of this embodiment can be obtained even if the control electrode 403 partially overlaps the electromagnetic deflector 201.
  • the effect of shortening the control electrode 403 is that the degree of freedom in the position of the electrostatic deflector 401 is increased.
  • the deflection sensitivity can be increased by lowering the position of the electrostatic deflector 401.
  • the resolution when the 50 ⁇ m square was deflected by the electromagnetic deflector was 3.3 nm. .
  • higher resolution than the conventional 5 nm can be achieved.
  • the uniformity in the visual field could be greatly improved to ⁇ 0.23 nm.
  • a scanning electron microscope having a small aberration and a high resolution capable of realizing a wide field deflection and a tilted beam having a desired angle, and an inspection method using the same. I was able to. Moreover, by shortening the control electrode and bringing the electrostatic deflector and the electromagnetic deflector closer, the deflection sensitivity can be increased and higher resolution measurement can be performed.
  • FIG. 6 shows a part of the electron optical configuration of the scanning electron microscope according to the present embodiment.
  • the overall configuration of the apparatus is the same as that of the first embodiment.
  • the control electrode is divided into an upper control electrode 502 and a lower control electrode 501. Different potentials can be applied to the respective electrodes, and more complicated electron velocity control is possible.
  • the upper control electrode 502 and the lower control electrode 501 are arranged to overlap the upper deflector 504 and the lower deflector 503 of the electromagnetic deflector, respectively. As a result, the velocity of electrons in each deflector can be controlled.
  • 2.8 kV is applied to the upper control electrode 502
  • 3 kV is applied to the lower control electrode
  • 6 kV is applied to a part of the magnetic material (upper magnetic path)
  • ⁇ 2.7 kV is applied to the sample.
  • the resolution when the angle is deflected is 2.8 nm, and high resolution scanning with a wide field of view can be realized.
  • an 8-pole 2-stage electrostatic deflector is used as the offset superimposed electrostatic deflector 601. This applies the same offset voltage to the deflection voltage of each electrode of the electrostatic deflector. As a result, it is possible to reduce the chromatic aberration caused by the electrostatic deflector and the lens effect between the control electrode and the deflection chromatic aberration in the electrostatic deflection.
  • an offset voltage of 2.8 kV the chromatic aberration of electrostatic deflection could be halved compared to the conventional case.
  • a scanning electron microscope having a small aberration and a high resolution capable of realizing a wide field deflection and a tilted beam having a desired angle, and an inspection method using the same. I was able to.
  • the use of an offset superimposed electrostatic deflector can reduce the aberration in electrostatic deflection.
  • control electrodes of the previous examples have a continuous structure on the circuit, but it is clear that the same effect can be obtained even if the control electrodes are divided in the rotation direction.
  • it can also be used as an electrostatic deflector.
  • the electrostatic deflector also serves as a control electrode, thereby reducing the space occupied by the optical element and wiring. The number can be reduced.
  • Electron gun 102 ... Electron beam, 103 ... Condenser lens, 104 ... Secondary electron and reflected electron, 105 ... Detector, 106 ... Electromagnetic deflector, 108 ... Electromagnetic lens, 109 ... Sample, 110 ... Holder, 111 ... Electron gun control unit 112... Condenser lens control unit 114. Scanning deflector control unit 115. Electromagnetic lens control unit 116. Sample voltage control unit 117 117 Storage device 118. Display device 201 ... Electromagnetic deflector 202 ... Control electrode 203 ... Additional electrode 204 ... Part of magnetic material (upper magnetic path) 205 ... Lower magnetic path 206 ...
  • Electromagnetic coil 207 Electromagnetic lens 210 ... Magnetic body opening 301.
  • Electrostatic deflector 401 Electrostatic deflector 403 Control electrode 501 Lower control electrode 502 Upper control electrode 503 Lower deflector 50 ... upper deflector, 601 ... offset superimposed electrostatic deflector, 701 ... fast electron orbit A, 702 ... slow electron orbit A, 703 ... slow electron orbit B, 801 ... fast electron orbit B, 802 ... slow electron orbit C, 803 ... Slow electron trajectory D.

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Abstract

　電磁レンズと干渉することなく広視野偏向や所望の角度を有する傾斜ビーム形成を可能とする電子光学構成を備えた収差が少なく高解像の走査電子顕微鏡及びそれを用いた計測方法を提供するために、走査電子顕微鏡において、電磁レンズ２０７の上部に電磁偏向器２０１を設け、それと重なるように(鉛直方向に対して高さ位置が重なるように)電子を加速若しくは減速する制御電極２０２を設ける。広視野偏向では電子を加速し、傾斜ビーム形成では電子を減速する。

Description

走査電子顕微鏡及びそれを用いた検査方法
　検査・計測に用いる走査電子顕微鏡及びそれを用いた検査方法に関する。
　電子ビームを用いた試料の観察・検査・計測に用いられる走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、電子源から放出された電子を加速し、静電または電磁レンズによって試料表面上に収束させて照射する。これを１次電子という。１次電子の入射によって試料からは２次電子や反射電子が発生する。これら２次電子や反射電子を、電子ビームを偏向して走査しながら検出することで、試料上の微細パターンや組成分布の走査画像を得ることができる。（例えば、特許文献１，２や非特許文献１を参照）
特開２０００－３４８６５８号公報 特開平８－１３８６１１号公報
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｖａｃｕｕｍ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｖｏｌ．１９，　Ｎｏ．４，　（１９８１）　ｐ１０５８－ｐ１０６３
走査電子顕微鏡において望ましいとされる機能として、電子ビームの分解能の大幅な低下を招くことなく（１）広い視野の走査を行えること、（２）傾けたビームで画像を得られること、の２つが挙げられる。半導体の微細化が進むに従いレジストパターンの２次元高速検査が必要となってきており、検査領域の拡大やシュリンクの低減などに広い視野の走査が必要となって来ている。また、デバイス構造の立体化が進んできており、３次元検査のための傾斜ビームの形成が必要となって来ている。これらの目的を達成するためには電子ビームの偏向により生じる偏向収差を低減する必要がある。
　特許文献１や非特許文献１には、試料直上の電磁レンズの磁性体の切れ目に重なるように、すなわち電子レンズの磁場と重なるように、電磁偏向器を複数設置する技術が開示されている。また、特許文献２には電磁偏向器を複数設け、電子レンズの磁場とも重なるように、電極を設けた例が開示されている。しかしながら、軸上での高解像化を進めるためにはレンズの内径や試料との距離を小さくする必要があり、上記電磁レンズと電磁偏向器を重ねて配置する（例えば、鉛直方向なら高さ位置が重なる）従来方法では電磁偏向器の設置が物理的に困難になってくる。また、同じ電磁偏向器の配置で広視野偏向と所望の角度の傾斜ビームを実現することも困難である。
　本発明の目的は、広視野偏向と所望の角度の傾斜ビームを実現することのできる収差が小さく高解像の走査電子顕微鏡及びそれを用いた検査方法を提供することにある。
　上記目的を達成するための一実施形態として、電子源と、前記電子源から放出された電子ビームを試料上に収束して照射する電磁レンズと、前記試料から発生する２次電子信号や反射電子に基づいて試料像を得る手段と、前記電磁レンズの上方に設けられた電磁偏向器と、鉛直方向に対して高さ位置が前記電磁偏向器と重なる位置に、離間して設けられ、前記電子ビームを加速もしくは減速する制御電極とを有することを特徴とする走査電子顕微鏡とする。
　また、電子源と、前記電子源から放出された電子ビームを試料上に収束して照射する電磁レンズと、前記試料から発生する２次電子信号や反射電子に基づいて試料像を得る手段と、前記電磁レンズの上方に設けられた電磁偏向器と、鉛直方向に対して高さ位置が前記電磁偏向器と重なる位置に、離間して設けられ、前記電子ビームを加速もしくは減速する２段の制御電極とを有することを特徴とする走査電子顕微鏡とする。
　また、前記走査電子顕微鏡を用いた検査方法であって、前記電子ビームを前記制御電極により加速して前記試料に照射する工程と、前記試料から発生する２次電子信号や反射電子に基づいて試料像を得る工程と、を有することを特徴とする検査方法とする。
　また、前記走査電子顕微鏡を用いた検査方法であって、前記電子ビームを前記制御電極により減速し、斜め方向から前記試料に照射する工程と、前記試料から発生する２次電子信号や反射電子に基づいて試料像を得る工程と、を有することを特徴とする検査方法とする。
　上記構成、特に電磁レンズの上方に設けられた電磁偏向器と、鉛直方向に対して高さ位置が電磁偏向器と重なる位置に制御電極を設けることにより、広視野偏向と所望の角度の傾斜ビームを実現することのできる収差が小さく高解像の走査電子顕微鏡及びそれを用いた検査方法を提供することができる。
実施例１に係る走査電子顕微鏡の概要図である。 実施例１に係る走査電子顕微鏡の主要な電子光学系断面図である。 実施例１に係る走査電子顕微鏡の主要な電子光学系上面図である。 実施例２に係る走査電子顕微鏡の主要な電子光学系断面図である。 実施例３に係る走査電子顕微鏡の主要な電子光学系断面図である。 実施例４に係る走査電子顕微鏡の主要な電子光学系断面図である。 広視野偏向の際の電子軌道図である。 傾斜ビームの際の電子軌道図である。
　試料直上の電磁レンズの上部に電磁偏向器を設け、それと重なるように（例えば、鉛直方向に対して高さ位置が重なるように）電子を加速若しくは減速する電極を設けることを主要な特徴とする。すなわち、試料直上の電磁レンズの上方に電磁偏向器とそれと重なるように静電レンズを設けることを主要な特徴とする。
　上記電極を設けることにより、電磁偏向器の作用する領域で電子のエネルギーを制御することが可能となるため、電磁偏向器起因の偏向色収差を制御することが可能となる。結果として、広視野偏向や所望の角度を有する傾斜ビームを電磁レンズと干渉することなく実現することが出来る。
　以下、実施例を用いて詳細に説明する。
　第1の実施例について、図１～図３、図７及び図８を用いて説明する。
　図１は実施例１に係る走査電子顕微鏡の全体概略図を示す。電子銃１０１から放出された電子ビーム１０２はコンデンサレンズ１０３と電磁レンズ１０８により試料上に結像される。本実施の形態では対物レンズは電磁レンズ１０８と、電磁レンズ１０８と試料１０９間の電場により生じる静電レンズにより、主に構成されている。そして試料から放出される２次電子や反射電子１０４は中間にある検出器１０５により検出される。試料上の電子ビームは電磁偏向器１０６により２次元に走査され、結果として２次元画像を得ることが出来る。２次元画像は表示装置１１９に表示される。
　なお、符号１１０は試料を載せるホルダー、符号１１１は電子銃制御部、符号１１２はコンデンサレンズ制御部、符号１１４は走査偏向器制御部、符号１１５は電磁レンズ制御部、符号１１６は試料電圧制御部、符号１１７は記憶装置、符号１１８は装置全体の制御演算部を示す。
　また、図２と図３は装置内の電子光学構成の１部を示したものであり、図２は概略断面図、図３は上面図である。図２に示すように電磁偏向器２０１は２段を連動して使用しており、その内側に電子の加速や減速の可能な制御電極２０２が電磁偏向器と重なる(鉛直方向に対して高さ位置が重なる)位置に配置されている。制御電極の内側は図３に示すように円筒状になっており、電位を印加することで電子を加減速する。この電極の下端は、図２に示すように、試料直上の電磁レンズ２０７の磁性体の開口２１０より上方にあり、電磁レンズとの干渉を避けている。
　電磁レンズ２０７は大きく、磁性体からなる上磁路２０４と下磁路２０５及び電磁コイル２０６から構成される。電磁レンズの磁性体の１部（上磁路）２０４には正の電位が印加されており、電子を加速することで軸上の収差を低減している。更に、本実施例による制御電極の上端より上方にも付加電極２０３が存在し、結果として３つの電極からなる静電レンズが電磁偏向器と重なる構成になっている。なお、本実施例では上方の電極は接地電極である。符号２０８は試料を示す。
　本実施例における制御電極の効果はまず偏向色収差の制御にある。走査電子顕微鏡において、偏向色収差は偏向収差の中で最も重要な収差である。偏向色収差は偏向器の偏向感度の差が電子の速度の差により生じる偏向器起因の偏向色収差と、レンズの焦点距離の差が電子の速度の差により生じるレンズ起因の偏向色収差が存在する。最終的な偏向色収差はこの２つの合計になるので、偏向器起因の偏向色収差が変化すると最終的な偏向色収差も変化する。
　図７に電子軌道の概念図を示す。高速電子軌道Ａ７０１に対してエネルギーの低い低速電子は偏向器の偏向作用とレンズのレンズ作用の双方が大きく働く。図７の低速電子軌道Ａ７０２は偏向作用のみ大きく働いた場合の軌道であり、低速電子軌道Ｂ７０３はレンズ作用のみ大きく働いた場合の軌道である。各低速軌道と高速軌道の試料上での位置の差が偏向色収差であり、それぞれ偏向器起因の色収差とレンズ起因の色収差となる。図７に示す、広視野での撮像に必要な垂直に近い入射の場合はいずれの低速軌道もプラス方向（より大きく偏向する方向）にずれている。すなわち、偏向器起因の色収差もレンズ起因の色収差は積算される方向で作用する。
　従って、制御電極に正の電位を印加して電子を加速することで、偏向器起因の偏向色収差が低減し、広い視野の偏向の際の解像度の劣化を防ぐことが出来る。本実施例では電磁偏向器２０１や制御電極２０２を電磁レンズと離して設置するために物理的な制約が少なく、短焦点で高解像な電磁レンズ２０７との両立が可能である。
　また、本実施例の別の効果として、図７では図示していないが、レンズ起因の偏向色収差の低減も挙げられる。本実施例の制御電極がない場合、付加電極２０３と電磁レンズ２０７の磁性体の１部(上磁路)２０４の間の電位差により電磁偏向器２０１の下方に静電レンズ効果の生じる領域がある。電磁偏向器２０１により電子が偏向された場合はこの領域において軸外を通過されるために、レンズ起因の偏向色収差が生じてしまう。
　レンズ起因の偏向色収差は主に試料近傍で生じるが、この領域でも一定量のレンズ起因の偏向色収差が生じている。本実施例では制御電極２０２に電圧を加えることで磁性体の１部(上磁路)２０４との電位差が減少し、レンズ効果が弱まることでレンズ起因の偏向色収差の軽減が可能となる。すなわち、電磁偏向器２０１が電磁レンズ２０７上方の静電レンズ内に配置されることになり、インレンズ偏向による収差低減効果が得られることになる。
　また、本実例では電磁偏向器２０１と制御電極２０２の間に付加電極２０３が存在する。すなわち電磁偏向器２０１と重なる位置の内側に２重に電極が存在することになる。本実施例では２つの中の内側の制御電極２０２により電子の加速や減速を行うこととなる。外側の付加電極２０３は接地されており、電子ビームの通路を真空に保つための真空隔壁となっている。この構造の効果は真空隔壁と別の電極により電子ビームの制御を行うことで、真空隔壁を接地にすることが可能となり、機械的な構造が簡単になることにある。更に制御電極２０２は下端近傍で外側に広がる構造になっており、電子ビームの通過領域を外側の電位からシールドしている。これにより制御電極２０２の効果を確実なものとしている。
　以上の本実例において制御電極２０２に３ｋＶ、磁性体の１部に６ｋＶ、試料２０８に―２．２ｋＶを印加した。電子ビームは３ｋＶのエネルギーでコンデンサレンズより入射しており、電磁偏向器２０１近傍では６ｋＶ程度に、電磁レンズ２０７上方では９ｋＶ程度に加速され、最終的に試料２０８には８００Ｖに減速されて入射する。電磁偏向器２０１で広い視野である５０μｍ角を偏向した際の分解能は３ｎｍであり、従来の５ｎｍより高分解能化が可能となった。本装置を用いて約１００ｎｍ幅ラインのシリコンの寸法を計測した結果、視野内での均一性を従来の±１ｎｍから±０．２ｎｍと大きく向上させることが出来た。
　また、本実施形態において逆に制御電極に負の電位を印加することで電子を減速し、偏向器起因の偏向色収差を増大させることが出来る。
　図８に傾斜ビームを形成した際の電子軌道を示す。低速電子軌道Ｃ８０２は偏向作用のみ大きくしたもの、低速電子軌道Ｄ８０３はレンズ作用のみ大きくしたものである。傾斜ビームの場合、低速電子軌道Ｄ８０３と高速電子軌道Ｂ８０１のずれと低速電子軌道Ｃと高速電子軌道Ｂのずれが逆方向になっている。
　すなわち、レンズ起因で発生する色収差傾斜ビームの軌道を作る際に発生するレンズ起因の偏向色収差を制御させた偏向器起因の偏向色収差で相殺することで、傾斜ビームの解像度を向上させることが出来る。ここで、傾斜角度とレンズ起因の色収差には相関があり、相殺する色収差が大きいほど大きな傾斜角を得ることが出来る。
　制御電極２０２に―１．５ｋＶ、磁性体の１部に６ｋＶ、試料に―２．２ｋＶを印加することで４度傾けた電子ビームの解像度を３ｎｍとすることが出来た。これは従来の７ｎｍと比較して大きな解像度の向上である。これにより逆テーパのラインパターンの側壁観察が可能となり、テーパ角管理が実現できる。
　このように本実施例は単に広い視野の偏向や傾斜ビームが可能となるだけでなく、それぞれのモードに従って制御電極２０２の電位を変化させるだけで切り替えが可能である。具体的には広視野モードでは加速し、傾斜ビームモードでは減速する。その際に制御電極が電磁レンズの上方に位置するために、電磁レンズとの干渉なく切り替えが可能なことも大きな特徴である。
　以上述べたように、本実施例によれば、広視野偏向と所望の角度の傾斜ビームを実現することのできる収差が小さく高解像の走査電子顕微鏡及びそれを用いた検査方法を提供することができた。
　第２の実施例について図４を用いて説明する。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。
　図４に本実施例に係る走査電子顕微鏡の電子光学構成の主要部断面図を示す。なお、装置全体の構成は実施例１と同様である。本実施例では制御電極２０２の上部に静電偏向器３０１を設置している。静電偏向器３０１は微小な偏向を行うためのものであり、本実施例では電磁偏向器２０１により試料表面上において電子ビームを大きく偏向した後に静電偏向器２段を連動して２次元走査を行う。静電偏向器３０１は走査速度を早くすることが出来る（電磁偏向器の４倍程度）ために絶縁体試料の帯電抑制に効果的である。
　このように２つの偏向手段を組み合わせることで、実質的な広視野観察を可能とすることが出来る。但し、静電偏向器と制御電極の干渉を防ぐために、静電偏向器は制御電極より上方に設置されている。なお、本実施例で用いた静電偏向器は８極静電偏向器である。
　本実施例においては制御電極に３ｋＶ、磁性体の１部に６ｋＶ、試料に―２．９ｋＶを印加した。これにより照射電子のエネルギーは１００Ｖとなる。本実施例の目的はレジストパターンの計測であり、ダメージの軽減のためにエネルギーを低下させた。電子を低速にすることにより偏向色収差は増大する方向にあるが、本実施例により、５０μｍ角偏向領域でも分解能３．５ｎｍを得ることが出来た。更に静電偏向による高速走査により１μｍ角領域のレジスト像に生じる帯電の影を解消している。５０ｎｍ幅のレジストラインを計測した結果、５０μｍ角偏向領域で±０．２５ｎｍの均一性を得ることが出来た。
　以上述べたように、本実施例によれば、広視野偏向と所望の角度の傾斜ビームを実現することのできる収差が小さく高解像の走査電子顕微鏡及びそれを用いた検査方法を提供することができた。また、静電偏向器を設けることにより、絶縁膜パターンであっても高解像の計測を実現することができた。
　第３の実施例について、図５を用いて説明する。なお、実施例１又は２に記載され、本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用できる。
　図５は本実施例に係る走査電子顕微鏡の電子光学構成の主要部断面を示す。なお、装置全体の構成は実施例１と同様である。本実施例では制御電極４０３が短く、電磁偏向器２０１の位置が重なっているが、必ずしも全体を覆っていない。本実施例の効果は電磁偏向器２０１に対して部分的に制御電極４０３が重なるだけでも得られる。制御電極４０３を短くする効果は、静電偏向器４０１の位置の自由度が大きくなることにある。本実施例では静電偏向器４０１の位置を下げることで偏向感度を増大させることが出来た。
　本実施例では、制御電極４０３に２ｋＶ、第２の制御電極に５ｋＶ、試料に―１．４ｋＶを印加することで、電磁偏向器で５０μｍ角を偏向した際の分解能は３．３ｎｍとなった。結果として従来の５ｎｍより高分解能化が可能となった。本装置を用いて約１００ｎｍ幅ラインのシリコンの寸法を計測した結果、視野内での均一性を±０．２３ｎｍと大きく向上させることが出来た。
　以上述べたように、本実施例によれば、広視野偏向と所望の角度の傾斜ビームを実現することのできる収差が小さく高解像の走査電子顕微鏡及びそれを用いた検査方法を提供することができた。また、制御電極を短くし静電偏向器と電磁偏向器を近づけることにより、偏向感度を増大でき、より高解像な計測を行うことができた。
　第４の実施例について図６を用いて説明する。なお、実施例１や２に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。
　図６に本実施例に係る走査電子顕微鏡の電子光学構成の１部を示す。なお、装置全体の構成は実施例１と同様である。本実施例では制御電極を上部制御電極５０２と下部制御電極５０１の上下２つに分割している。それぞれの電極には異なる電位を与えることが可能で、より複雑な電子の速度制御が可能となる。
　上部制御電極５０２は電磁偏向器の上部偏向器５０４と、下部制御電極５０１は電磁偏向器の下部偏向器５０３と重なるように配置されている。これによりそれぞれの偏向器での電子の速度を制御できる。
　本実施例では、上部制御電極５０２に２．８ｋＶ、下部制御電極に３ｋＶ、磁性体の１部（上磁路）に６ｋＶ、試料に―２．７ｋＶを印加することで、電磁偏向器で５０μｍ角を偏向した際の分解能は２．８ｎｍとなり、広い視野での高分解能走査を実現出来る。
　また、上部制御電極に―１，８ｋＶ、下部制御電極に―１．５ｋＶ、磁性体の１部（上磁路）に６ｋＶ、試料に―２．７ｋＶを印加することで、５度傾けた電子ビームで３ｎｍの分解能を得ることが可能である。
　本実施例ではまた、８極２段の静電偏向器をオフセット重畳静電偏向器６０１としている。これは静電偏向器の各電極の偏向電圧に同じオフセット電圧を加えるものである。このことにより、静電偏向器起因の色収差や制御電極との間のレンズ効果の低減を図ることが可能となり、静電偏向での偏向色収差の低減に効果がある。ここでは２．８ｋＶのオフセット電圧を加えることで、静電偏向の色収差を従来の１／２とすることが出来た。
　以上述べたように、本実施例によれば、広視野偏向と所望の角度の傾斜ビームを実現することのできる収差が小さく高解像の走査電子顕微鏡及びそれを用いた検査方法を提供することができた。また、オフセット重畳静電偏向器を用いることにより静電偏向での収差低減を図ることができた。
　これまでの実施例の制御電極は周回上に連続的な構造であったが、制御電極が回転方向に分割されていても同様の効果が得られることは明らかである。この場合、各電極に共通のオフセット以外の電圧を印加することで静電偏向器としても利用できることになり、静電偏向器が制御電極を兼ねることで光学素子の占める空間を少なくすることや配線数を減らすことが可能となる。
１０１…電子銃、１０２…電子ビーム、１０３…コンデンサレンズ、１０４…２次電子や反射電子、１０５…検出器、１０６…電磁偏向器、１０８…電磁レンズ、１０９…試料、１１０…ホルダー、１１１…電子銃制御部、１１２…コンデンサレンズ制御部、１１４…走査偏向器制御部、１１５…電磁レンズ制御部、１１６…試料電圧制御部、１１７…記憶装置、１１８…装置全体の制御演算部、１１９…表示装置、２０１…電磁偏向器、２０２…制御電極、２０３…付加電極、２０４…磁性体の１部（上磁路）、２０５…下磁路、２０６…電磁コイル、２０７…電磁レンズ、２１０…磁性体の開口、３０１…静電偏向器、４０１…静電偏向器、４０３…制御電極、５０１…下部制御電極、５０２…上部制御電極、５０３…下部偏向器、５０４…上部偏向器、６０１…オフセット重畳静電偏向器、７０１…高速電子軌道Ａ、７０２…低速電子軌道Ａ、７０３…低速電子軌道Ｂ、８０１…高速電子軌道Ｂ、８０２…低速電子軌道Ｃ、８０３…低速電子軌道Ｄ。

Claims (19)

  1. 　電子源と、
      前記電子源から放出された電子ビームを試料上に収束して照射する電磁レンズと、
      前記試料から発生する２次電子信号や反射電子に基づいて試料像を得る手段と、
      前記電磁レンズの上方に設けられた電磁偏向器と、
      鉛直方向に対して高さ位置が前記電磁偏向器と重なる位置に、離間して設けられ、前記電子ビームを加速もしくは減速する制御電極とを有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
  2. 　請求項１記載の走査電子顕微鏡において、
      前記電磁偏向器と制御電極の間に、更に付加電極を設けることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  3. 　請求項２記載の走査電子顕微鏡において、
      前記付加電極が真空隔壁であることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  4. 　請求項１記載の走査電子顕微鏡において、
      前記制御電極は下端近傍で外側に広がる構造になっていること特徴とする走査電子顕微鏡。
  5. 　請求項１記載の走査電子顕微鏡において、
      前記制御電極の下方に第２の制御電極を設けることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  6. 　請求項１記載の走査電子顕微鏡において、
      前記電磁レンズの磁性体の１部に電位が印加されていることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  7. 　請求項５記載の走査電子顕微鏡において、
      前記制御電極に、前記第２の制御電極や前記磁性体の１部に印加した正の電位より低い正の電位が印加されていることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  8. 　請求項１記載の走査電子顕微鏡において、
      前記制御電極の上方に静電偏向器が配置されていることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  9. 　請求項８記載の走査電子顕微鏡において、
      前記静電偏向器の各極にオフセット電位が印加されていることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  10. 請求項１記載の走査電子顕微鏡において、
      前記制御電極には正負の電位が印加出来ることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  11. 　請求項１記載の走査電子顕微鏡において、
      前記制御電極は広視野モードでは加速し、傾斜ビームモードでは減速することを特徴とする走査電子顕微鏡。
  12. 　電子源と、
      前記電子源から放出された電子ビームを試料上に収束して照射する電磁レンズと、
      前記試料から発生する２次電子信号や反射電子に基づいて試料像を得る手段と、
      前記電磁レンズの上方に設けられた電磁偏向器と、
      鉛直方向に対して高さ位置が前記電磁偏向器と重なる位置に、離間して設けられ、前記電子ビームを加速もしくは減速する２段の制御電極とを有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
  13. 　請求項１２記載の走査電子顕微鏡において、
      前記電磁偏向器が２段であり、上部の偏向器と上部の制御電極が、下部の偏向器と下部の制御電極がそれぞれ重なる位置に設けることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  14. 　請求項１２記載の走査電子顕微鏡において、
      前記制御電極が加速型であることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  15. 　請求項１２記載の走査電子顕微鏡において、
      前記制御電極が広視野モードでは加速型に、傾斜ビームモードでは減速型に、切り替え可能であることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  16. 　請求項１記載の走査電子顕微鏡を用いた検査方法であって、
      前記電子ビームを前記制御電極により加速して前記試料に照射する工程と、
      前記試料から発生する２次電子信号や反射電子に基づいて試料像を得る工程と、を有することを特徴とする検査方法。
  17. 　請求項１記載の走査電子顕微鏡を用いた検査方法であって、
      前記電子ビームを前記制御電極により減速し、斜め方向から前記試料に照射する工程と、
      前記試料から発生する２次電子信号や反射電子に基づいて試料像を得る工程と、を有することを特徴とする検査方法。
  18. 　請求項１２記載の走査電子顕微鏡を用いた検査方法であって、
      前記電子ビームを前記２段の制御電極により加速して前記試料に照射する工程と、
      前記試料から発生する２次電子信号や反射電子に基づいて試料像を得る工程と、を有することを特徴とする検査方法。
  19. 　請求項１２記載の走査電子顕微鏡を用いた検査方法であって、
      前記電子ビームを前記２段の制御電極により減速し、斜め方向から前記試料に照射する工程と、
      前記試料から発生する２次電子信号や反射電子に基づいて試料像を得る工程と、を有することを特徴とする検査方法。
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