WO2016092642A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

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WO2016092642A1
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charged particle
particle beam
deflector
lens
electrodes
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譲 水原
俊之 横須賀
秀之 数見
黒澤　浩一
健一 明珍
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株式会社 日立ハイテクノロジーズ
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    • H01J2237/24485—Energy spectrometers

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam apparatus, and more particularly to a charged particle beam apparatus that controls the trajectory of charged particles emitted from a sample while suppressing the influence of the charged particle beam on the trajectory.
  • a scanning electron microscope represented by a CD-SEM Critical Dimension-Scanning Electron Microscope
  • CD-SEM Cross-Scanning Electron Microscope
  • the CD-SEM measures the length of the pattern, so the stability of the primary electron beam is particularly important.
  • secondary electrons it is desirable that secondary electrons having desired information can be selectively detected by orbit control. For this purpose, a mechanism capable of changing only the secondary electron trajectory without changing the primary electron beam trajectory is required.
  • Patent Document 1 discloses a method for detecting secondary electrons having desired information separately from the orbit.
  • Patent Document 2 discloses a method for improving the detection efficiency of secondary electrons by controlling the degree of convergence of secondary electrons by the lens action of the electrodes.
  • JP 2014-22040 (corresponding US Pat. No. 8,648,300) Japanese Patent No. 5478683 (corresponding US Pat. No. 8,759,761)
  • the orthogonal electromagnetic field deflector as disclosed in Patent Document 1 can guide secondary electrons to the detector with high efficiency without greatly affecting the primary electrons.
  • the trajectory of secondary electrons until reaching the chamber cannot be controlled, and depends on optical conditions such as the excitation amount of the objective lens. If secondary electrons are lost before reaching the orthogonal electromagnetic deflector, it is naturally impossible to detect the secondary electrons.
  • the desired electron can be converged on the secondary electrons having a certain energy and emission angle. It is impossible to simultaneously control secondary electrons having different energy and emission angles. Some electrons emitted at the same angle have different energies, and conversely, some electrons emitted at different angles have the same energy.
  • the collection electrode disclosed in Patent Document 2 for example, in the case of electrons having the same energy emitted in different directions or electrons emitted in the same direction and having different energies, the difference in energy and emission direction Therefore, it is deflected in different directions by the collecting electrode, and as a result, electrons that can reach the detector and electrons that cannot reach the detector are generated. In such a case, electrons with a specific energy or emission angle may not be detected with high efficiency.
  • an objective lens that focuses a charged particle beam emitted from a charged particle source, a detector disposed between the objective lens and the charged particle source, and A deflector that deflects charged particles emitted from a sample so as to be separated from the charged particle beam, and the sample is disposed between the deflector and the objective lens, toward the deflection point of the deflector.
  • a charged particle beam apparatus including a plurality of electrodes for forming a plurality of electrostatic lenses for focusing charged particles emitted from the substrate is proposed.
  • an objective lens for focusing a charged particle beam emitted from a charged particle source, a detector disposed between the objective lens and the charged particle source, A deflector that deflects charged particles emitted from the sample so as to be separated from the charged particle beam, an energy spectrometer that performs energy spectroscopy on the charged particles deflected by the deflector, the energy spectrometer, and the sample
  • a charged particle beam apparatus provided with a negative voltage application power source for applying a negative voltage to a sample stage on which the sample is mounted is proposed.
  • a first lens for focusing a charged particle beam emitted from a charged particle source and an objective lens for focusing a charged particle beam irradiated on a sample are described below.
  • a detector disposed between the objective lens and the first lens, a deflector for deflecting charged particles emitted from the sample so as to be separated from the charged particle beam, and the first
  • An acceleration cylinder that is formed so as to surround the passing trajectory of the charged particle beam from the passing aperture of the charged particle beam of the lens to the passing aperture of the charged particle beam of the objective lens, and to which a positive voltage is applied
  • a charged particle beam apparatus is proposed in which the acceleration cylinder is divided in the optical axis direction of the charged particle beam.
  • the figure which shows an example of the GUI screen for setting the lens conditions of a multistage electrostatic lens The flowchart which shows the process of selecting the lens conditions of a multistage electrostatic lens.
  • the convergence action obtained by a multistage electrostatic lens charged particles having different energies and emission angles are given the same convergence point, and the orthogonal electromagnetic field arranged at the convergence point.
  • a charged particle beam apparatus that controls the secondary charged particle trajectory independently of the primary charged particle trajectory by a deflector according to the above will be described.
  • the multistage electrostatic lens is disposed between a charged particle source and an objective lens that focuses the charged particle beam.
  • an objective lens that focuses a charged particle beam emitted from a charged particle source, a detector disposed between the objective lens and the charged particle source, and charged particles emitted from the sample Is deflected so as to be off-axis from the charged particle beam, and the charged particles emitted from the sample are arranged between the deflector and the objective lens toward the deflection point of the deflector.
  • a charged particle beam apparatus provided with a plurality of electrodes forming a plurality of focusing electrostatic lenses will be described.
  • the secondary charged particle trajectory can be controlled independently of the primary charged particle trajectory while reducing the loss of the secondary charged particle as much as possible.
  • a scanning electron microscope that scans an electron beam on a sample will be described as an example.
  • the present invention is not limited to this.
  • a focused ion beam device (Focused Ion Beam) is used. : FIB) and other charged particle beam devices.
  • the embodiment only describes an example of the scanning electron microscope, and can be applied to a scanning electron microscope having a configuration different from that of the embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a scanning electron microscope.
  • the scanning electron microscope 101 an extraction electric field is formed between the field emission cathode 1 to which the cathode voltage 51 is applied and the extraction electrode 2 to which the extraction voltage 52 superimposed on the cathode voltage 51 is applied. 3 is drawn.
  • the primary electron beam (charged particle beam) 3 drawn out in this way is focused by the condenser lens 4, an upper scanning deflector (first deflector) 5, and a lower scanning deflector (second deflector). 6 is subjected to scanning deflection. Between the extraction electrode 2 and the condenser lens 4, an objective aperture 7 for controlling the intensity and the opening angle of the primary electron beam 3 is disposed.
  • the deflection intensity of the upper scanning deflector 5 and the lower scanning deflector 6 is such that the sample 10 set on the holder 9 to which the sample voltage 53 is applied is two-dimensionally scanned with the lens center of the objective lens 8 as a fulcrum. It has been adjusted.
  • the primary electron beam 3 deflected by the upper scanning deflector 5 and the lower scanning deflector 6 is further accelerated by the rear acceleration cylinder 11 provided in the path of the objective lens 8 to which the rear acceleration voltage 54 is applied.
  • the post-acceleration cylinder 11 forms an electric field that accelerates the primary electron beam 3.
  • the primary electron beam 3 accelerated later is narrowed by the lens action of the objective lens 8.
  • Electrons (charged particles) such as secondary electrons and backscattered electrons emitted from the sample 10 are 1 by an electric field formed between the sample 10 to which the negative sample voltage 53 is applied and the post-acceleration cylinder 11. It is accelerated in the direction opposite to the irradiation direction of the secondary electron beam 3.
  • the secondary electrons 12 collide with the reflection plate 13 and are converted into tertiary electrons (charged particles) 14, and these tertiary electrons 14 are guided to the lower detector 15 to form an SEM image.
  • the reflector 13 has a hole through which the primary electron beam 3 passes, and is disposed between the condenser lens 4 and the objective lens 8.
  • an annular detector may be arranged at the position of the reflecting plate 13.
  • an orthogonal electromagnetic field deflector 16 for deflecting the secondary electron beam is disposed between the condenser lens 4 and the reflection plate 13.
  • This orthogonal electromagnetic field deflector 16 has a deflection action by both a magnetic field and an electric field.
  • the magnetic field and electric field intensity of the orthogonal electromagnetic field deflector 16 do not change the primary electron beam 3, and the secondary electron beam 17 that has passed through the reflector 13 is off-axis from the primary electron beam 3, and the upper detector Is adjusted to reach 18.
  • the multistage electrostatic lens 19 is arranged.
  • an electrostatic lens to which a negative electrostatic lens voltage 55 is applied and an electrostatic lens having a ground potential are alternately arranged.
  • the secondary electrons 17 emitted from the sample 10 are successively focused by the multistage electrostatic lens 19.
  • the convergence effect can be adjusted by the negative electrostatic lens voltage 55, and the energy and emission angle of secondary electrons passing through the reflector 13 can be changed.
  • the electrostatic lens is generated by an electric field generated by a voltage applied to the electrode, but for convenience, the electrode itself may be referred to as a lens in this specification.
  • the electrons detected by the lower detector 15 and the upper detector 18 are amplified by an amplifier and displayed on the image display device in synchronization with the scanning signals supplied to the upper scanning deflector 5 and the lower scanning deflector 6. Is done.
  • the current or voltage applied to each component of the scanning electron microscope 101 can be controlled using a control device provided separately from the scanning electron microscope main body.
  • the control device includes a CPU, a frame memory, and a storage device that stores programs and data.
  • FIG. 2 shows an example of secondary electron trajectories in an SEM without a multistage electrostatic lens.
  • the secondary electron trajectory is defined by the amount of excitation of the objective lens 8 and the conditions of the post-acceleration cylinder 11. That is, the secondary electron trajectory is defined by the irradiation condition of the primary electron beam 3, and the secondary electron trajectory cannot be controlled independently.
  • the secondary electrons 14 that reach the reflecting plate 13 cannot be detected by the upper detector 18 through the reflecting plate 13.
  • the optical conditions are such that the trajectory of the secondary electrons diverges. Since the number of secondary electrons 17 passing through the reflector 13 is reduced and the amount of detection signals at the detector 18 is reduced accordingly, a high contrast SEM image cannot be obtained. Further, secondary electrons 19 that collide with the inner wall of the column and are lost cannot be detected, which causes a decrease in contrast.
  • FIG. 3 shows an example of the configuration of a charged particle beam apparatus in which five multistage electrostatic lenses 19 are arranged.
  • FIG. 3 illustrates an electrostatic lens including five stages of electrodes, but the number of stages of electrostatic lenses is not limited as long as the number is two or more.
  • the negative potential and the ground potential are alternately configured.
  • the polarity and magnitude of the potential applied to each electrostatic lens are not limited.
  • the secondary electrons 20 and 21 having different energies or emission angles are converged to the working point of the orthogonal electromagnetic deflector 16 by the convergence action of the multistage electrostatic lens 19.
  • both the secondary electrons 20 and 21 can be detected by the upper detector 18.
  • the charged particle is an electron
  • the convergence effect is naturally enhanced by increasing the electrostatic lens potential or reducing the gap between the lenses.
  • the present embodiment electrons emitted in various directions to the action point (deflection point) of the orthogonal electromagnetic field deflector 16 by a plurality of electrostatic lenses formed between a plurality of electrodes, or electrons having different energies. Therefore, the electrons emitted from the sample or the tertiary electrons obtained when the electrons collide with the reflector or the like can be detected with high efficiency. .
  • the opening angle of the electrons passing through the reflector 13 can be narrowed, and the upper detection is performed.
  • the detection efficiency of the vessel 18 can be improved. This is because, for example, when the electron trajectory is converged by a single-stage electrode, it is necessary to apply a large voltage to the electrode in order to converge the electrons traveling in a plurality of directions.
  • the opening angle of the electrons passing through increases. When the opening angle increases, the electrons traveling in directions other than the upper detector 18 increase, and the detection efficiency decreases.
  • the trajectory of electrons can be gradually converged, so that the opening angle can be narrowed, and as a result, highly efficient detection of electrons emitted from the sample can be performed.
  • FIG. 4 shows an example in which a mesh-shaped energy filter 22 is arranged in front of the upper detector 18.
  • a negative energy filter voltage 56 is applied to the energy filter 22 in order to recapture secondary electrons below a certain energy.
  • the mesh of the energy filter 22 is arranged to be perpendicular to the trajectory of the secondary electrons.
  • the secondary electron 20 has a higher energy than the secondary electron 21.
  • a negative potential is applied to the energy filter 22 in such a case, it becomes a high-pass filter, and for example, an image of only secondary electrons higher than the energy of the secondary electrons 20 can be formed. Since the number of secondary electrons reaching the energy filter is increased by the convergence action of the multistage transport lens 19, it is possible to obtain an SEM image with a large signal amount even if secondary electrons below a certain energy are cut. It is.
  • FIG. 5 shows an example in which a slit 23 is arranged in front of the upper detector 18. Since the amount of deflection of the orthogonal electromagnetic deflector 16 can be arbitrarily changed, the energy of secondary electrons reaching the slit 23 can be arbitrarily controlled. For example, when the energy of the secondary electrons 20 is higher than that of the secondary electrons 21, if the deflection amount of the orthogonal electromagnetic field deflector 16 is set to an intensity at which the secondary electrons 20 pass through the slits 23, only the secondary electrons 20 are obtained. The band pass image can be formed.
  • FIG. 6 shows an example in which an energy spectroscope 24 is arranged in front of the upper detector 18.
  • the energy spectrometer 24 includes an exit slit 25 in order to improve energy resolution.
  • an energy spectrometer using a cylindrical sector is illustrated as an example, but the structure is not limited to this structure as long as the structure can perform energy spectroscopy.
  • a power source for energy spectroscopy of secondary electrons is provided, and a positive sector voltage 57 and a negative sector voltage 58 are applied to the inner and outer electrodes, respectively.
  • the yield of electrons with the same energy among the electrons emitted in various directions can be improved.
  • the influence of the decrease can be suppressed.
  • the energy of the secondary electrons 20 passing through the energy spectrometer 24 may be reduced by floating at 201.
  • the slit 23 and the exit slit 25 are also set to potentials near the deceleration voltage 201 in order to suppress the orbital divergence of the secondary electrons 20.
  • the slit voltage 202 may be superimposed on the deceleration voltage 201.
  • the slit voltage 202 may be given a positive potential of about several volts whose absolute value is sufficiently smaller than the deceleration voltage 201 so that the secondary electrons 20 are not repulsed.
  • the secondary electrons 20 that have reached the orthogonal electromagnetic deflector 16 by the multistage electrostatic lens 19 are converged in the radial direction, the secondary electrons 20 have energy dispersion as long as they are secondary electrons.
  • a condensing electrostatic lens 203 (a plurality of stages of electrodes) is disposed in front of the slit 23.
  • the condensing electrostatic lens 203 may have a structure in which an electrode to which a negative potential is applied is sandwiched between electrodes having a ground potential.
  • the energy resolution is improved as the angular dispersion of the secondary electrons 20 at the incident portion of the energy spectrometer 24 is smaller.
  • the slits 23 multiple electrodes
  • FIG. 23 a three-slit structure is shown.
  • Angular dispersion is suppressed by applying a high positive potential of several kV to the first slit on the optical axis side to accelerate the secondary electrons 20.
  • the second slit functions to reduce the distortion of the electric field and suppress the angular dispersion.
  • the trajectory of the secondary electrons can be set to a small angle, and the secondary electrons can be introduced to the incident portion of the energy spectrometer.
  • the second and third slits can suppress the penetration of the electric field formed by the first slit to which several kV is applied.
  • the electric field formed by applying a voltage of several kV is very strong, and when the electric field oozes out to the incident part of the energy spectrometer, the angular dispersion of secondary electrons occurs there and the energy resolution is deteriorated. Therefore, in the example of FIG. 23, by arranging two slits between the first slit to which a voltage of several kV is applied and the energy spectrometer, the leakage of the electric field to the energy spectrometer is prevented. It was set as the structure which suppresses.
  • the openings of the multistage electrostatic lens 19 and the reflector 13 are used. Even when a positive voltage is applied to the multistage electrostatic lens 19, secondary electrons exhibit a converging action due to the nature of the electrostatic lens. However, if the electrostatic lens (electrode) in the previous stage of the reflector 13 (position closest to the reflector) is at a positive potential, electrons such as the secondary electrons 21 that are off-axis from the optical axis will have a positive electric field effect. Diverges from the reflecting plate 13 by. The magnitude of the orbital divergence can be controlled by the magnitude of the positive voltage 55 applied to the multistage electrostatic lens 19, and passes through the aperture of the reflector 13 (passing aperture forming member having a primary electron beam passage aperture). Secondary electrons can be changed.
  • Secondary electrons having a small emission angle from the sample 10 as viewed from the optical axis pass through the vicinity of the opening center of the reflecting plate 13, and secondary electrons having a large emission angle (for example, secondary electrons 21).
  • the orbit is away from the opening center of the reflector 13. Therefore, if the divergence action is increased, an SEM image in which secondary electrons emitted from the sample 10 in the vertical direction of the sample are dominant among the secondary electrons emitted from the sample 10 can be obtained.
  • Such conditions are suitable for observing deep holes, deep groove bottoms, and groove bottom patterns.
  • a mechanism for discriminating the emission angle can be realized by the combination of the multistage electrostatic lens 19 and the reflecting plate 13, but the energy filter 22, the slit 23, and the energy spectroscopy shown in Examples 2, 3, and 4, respectively. It is naturally possible to combine it with the structure of the vessel 24.
  • FIG. 8 is a diagram showing a configuration that can suppress the influence of the electrostatic lens on the primary electron beam 3.
  • the electric field generated by the electrostatic lens is a factor that distorts the deflection region on the sample 10.
  • a CD-SEM that performs pattern length measurement, since the length measurement value changes when deflection distortion occurs, suppression of deflection distortion is particularly important.
  • the electric field at the upper deflection fulcrum 26 and the lower deflection fulcrum 27 of the primary electron beam 3 needs to be as small as possible.
  • the upper deflection fulcrum 26, the lower deflection fulcrum 27, and the center of the electrostatic potential of the ground potential among the multistage electrostatic lens 19 are made the same. With the above configuration, deflection distortion can be suppressed.
  • a magnetic field type deflector is used as the scanning deflector.
  • the voltage for forming the lens is such that the two electrodes are sandwiched. It is necessary to arrange the electrodes to be applied. Therefore, it is desirable to install at least 4 stages of electrodes (preferably 5 stages since it is better to have electrodes that suppress the spread of electrons between the electrodes of the ground potential).
  • the electrostatic lens is made of a non-magnetic material.
  • the scanning deflector operates at high speed, it is necessary to suppress the eddy current generated in the electrostatic lens. There is. Since eddy currents also cause deflection distortion, suppression of CD-SEM is particularly important.
  • a structure of the electrostatic lens for suppressing the eddy current as shown in FIG. 9, a method of cutting the flow of the eddy current by making a cut 29 in the electrostatic lens 28 (cylindrical electrode) is effective.
  • the multi-stage electrostatic lens 19 can be applied to a scanning electron microscope equipped with an electrostatic scanning deflector as shown in FIG.
  • the upper deflection fulcrum 26, the lower deflection fulcrum 27, which are the deflection fulcrums of the upper electrostatic scanning deflector 30 and the lower electrostatic scanning deflector 31, and grounding As with the magnetic field scanning deflector, in order to suppress deflection distortion, the upper deflection fulcrum 26, the lower deflection fulcrum 27, which are the deflection fulcrums of the upper electrostatic scanning deflector 30 and the lower electrostatic scanning deflector 31, and grounding
  • the height of the electrostatic lens center of the potential is made the same.
  • the deflector itself serves as an electrostatic lens.
  • the electrostatic deflector has a structure as shown in FIG. Although a 4-pole electrostatic deflector is shown here as an example, there is no problem even if it is an 8-pole or 12-pole electrostatic deflector.
  • it is composed of an X + electrode 32, an X-electrode 33, a Y + electrode 34, and a Y-electrode 35, and electrostatic deflection voltages 59, 60, 61, and 62 are applied thereto, respectively.
  • the electrostatic deflection voltages 59 and 60 and the deflection voltages 61 and 62 are the same in magnitude only with the polarity reversed.
  • the electrostatic deflector When the electrostatic deflector is operated as an electrostatic lens, an offset voltage 36 is applied to each electrode as an offset, and the deflection voltage is superimposed thereon.
  • the electrode of the electrostatic scanning deflector has the function of an electrostatic lens, and the functions of the electrostatic lens and the electrostatic deflector can be provided at the same time.
  • the offset voltage 36 In an electrostatic scanning deflector arranged at the same height as the deflection fulcrum, the offset voltage 36 may be set to 0V.
  • FIG. 12 shows a scanning type in which the primary electron beam 3 is accelerated by the full-stage acceleration cylinder 36 to which the full-stage acceleration voltage 64 is applied over the entire stage from immediately after passing through the extraction electrode 2 to immediately before the sample 10.
  • the structure of an electron microscope is shown.
  • the primary electron beam 3 is irradiated at a high speed, so that the resolution is good.
  • aberration may occur due to the lens action formed by the latter stage acceleration cylinder 11 and the ground potential, but in the whole stage acceleration method, no aberration occurs.
  • the upper acceleration cylinder 36 is connected to the acceleration electrode of the primary electron beam 3 or the upper end thereof is positioned at a position where the primary electron beam 3 is further accelerated after being accelerated by the acceleration electrode (for example, immediately below the acceleration electrode).
  • the lower end thereof is configured to reach the objective lens.
  • the trajectory control becomes difficult because the speed of the secondary electrons is always increased by the full-stage acceleration cylinder 36. Further, the orthogonal electromagnetic deflector cannot be used basically because the operating voltage becomes very large, and the trajectory of the secondary electrons cannot be controlled independently of the trajectory of the primary electron beam 3.
  • the primary electron beam 3 is separated using a four-stage primary electron deflector 39, and after passing through the detector 38, Do it back.
  • the secondary electrons 37 whose traveling direction is opposite to that of the primary electron beam 3 are deflected in the direction opposite to that of the primary electron beam 3, and become the trajectory of the secondary electrons 39. 38.
  • Secondary electrons separated from the optical axis are detected by the detector 40 and the detector 41.
  • the low-speed secondary electrons converge near the objective lens due to the convergence effect of the objective lens 8 and then diverge, so that the detector 40 detects relatively low-speed secondary electrons.
  • high-speed secondary electrons are mainly detected by the detector 41 because the convergence point moves away from the objective lens.
  • the trajectory of the secondary electrons is defined by the optical conditions of the primary electron beam 3 as in the post-acceleration SEM. It is impossible to independently control the secondary electrons that arrive. For example, there is no means for detecting the secondary electrons 43 with the detector 38. Further, in the full-stage acceleration SEM, it is difficult to control the secondary electron trajectory independent of the primary electron beam trajectory by the orthogonal electromagnetic deflector. Therefore, there are secondary electrons that do not reach the detector 38 depending on the off-axis condition of the primary electron beam 3 such as the secondary electrons 42. Of course, there are secondary electrons that collide with the column and are lost like the secondary electrons 44.
  • a first lens that focuses a charged particle beam for example, a condenser lens 4, and there may be two or more first lenses
  • an objective lens that focuses a charged particle beam irradiated on a sample for example, a condenser lens 4, and there may be two or more first lenses
  • a detector for example, detector 38 disposed between the objective lens and the first lens, and deflection for deflecting charged particles emitted from the sample so as to be separated from the charged particle beam.
  • a charged particle beam from the aperture of the charged particle beam of the first lens to the aperture of the charged particle beam of the objective lens for example, the lowermost deflector of the primary electron deflector 39
  • a charged particle beam device that is formed so as to surround the trajectory of the charged particle beam and includes an acceleration cylinder to which a positive voltage is applied, the acceleration cylinder being divided in the optical axis direction of the charged particle beam Akira to.
  • the acceleration cylinder referred to here corresponds to a multistage electrostatic lens 45 described later.
  • the secondary electron trajectory can be controlled by the effect of the multistage electrostatic lens, as in the latter stage acceleration type SEM.
  • the multistage electrostatic lens 45 is formed by providing at least one gap in the all-stage accelerating cylinder and independently applying a voltage using a power source (not shown).
  • the secondary electrons deflected to the detector 38 by the magnetic field action that returns the primary electron beam 3 to the optical axis are deflected to a location closer to the optical axis as the energy is higher.
  • the secondary electrons 48 and 49 reach the detector 38 while receiving the convergence action of the electrostatic lens.
  • the secondary electrons 49 with low energy collide with the inside of the column and are lost, and only the secondary electrons 48 with high energy are detected.
  • An increase in the amount of detection signal due to the convergence effect of the electrostatic lens enables high-contrast image observation.
  • the energy filter 22 and the slit 23 are arranged upstream of the detector 38, and the energy spectrometer 24 is arranged downstream of the detector 38.
  • the secondary electron emission angle discrimination shown in the fifth embodiment can also be realized by using the apertures of the detectors 40 and 41 and the convergence action of the electrostatic lens.
  • the height of the scanning deflector and the electrostatic lens shown in the sixth embodiment can be matched, or the electrostatic lens shown in the seventh embodiment can be cut to suppress the eddy current. This is the same as the post-acceleration SEM indicated by 1. Further, it is natural that the configuration of the electrostatic deflector shown in the eighth embodiment can be applied as it is from the post-acceleration SEM.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating an example of a measurement / inspection system including the SEM 1501.
  • This system includes a scanning electron microscope system including an SEM 1501, a control device 1502 of the SEM, and an arithmetic processing unit 1503.
  • the arithmetic processing device 1503 supplies a predetermined control signal to the control device 1502 and performs signal processing of the signal obtained by the SEM main body 1301 and the obtained image information and recipe information.
  • a memory 1506 for storing is incorporated.
  • the control device 1502 and the arithmetic processing device 1507 are described as separate units, but may be an integrated control device.
  • Electrons emitted from the sample or generated at the conversion electrode are captured by the detector 1213 and converted into a digital signal by the A / D converter built in the control device 1502.
  • Image processing according to the purpose is performed by image processing hardware such as a CPU, ASIC, and FPGA incorporated in the arithmetic processing unit 1507.
  • the arithmetic processing unit 1507 has an optical condition setting unit 1508 for setting the optical conditions of the SEM based on the measurement conditions input by the input device 1504, the entire image or a set ROI (Region Of Interest) as will be described later.
  • the image quality evaluation unit 1509 for evaluating the image quality) and the pattern measurement unit 1510 for measuring the dimension of the pattern based on the acquired signal waveform are incorporated.
  • the pattern measurement unit 1510 forms a line profile based on, for example, a detection signal, and performs dimension measurement between the peaks of the profile.
  • the beam irradiation position or the scanning position is changed by controlling the driving signal of the sample stage or the supply signal to the image shift deflector.
  • a GUI for displaying images, inspection results, and the like is displayed to the operator.
  • the input device 1504 is an imaging recipe creation device that sets, as an imaging recipe, measurement conditions including electronic device coordinates, pattern types, and imaging conditions (optical conditions and stage movement conditions) required for inspection and the like. Also works.
  • the input device 1310 also has a function of collating the input coordinate information and information on the pattern type with the layer information of the design data and the pattern identification information, and reading out necessary information from a design data storage medium (not shown). ing.
  • the lens conditions of the multistage electrostatic lens 19 are stored in the memory 1506 in advance, and the stored lens conditions (for example, to the electrodes) based on the measurement and inspection conditions input from the input device 1504.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an example of a table that stores appropriate lens conditions for each combination of the emission angle of secondary electrons (radiation angle) and the energy of secondary electrons (energy).
  • a table indicating the relationship between one of the emission angle and energy and the lens condition may be used.
  • Such a table may be prepared in advance based on, for example, a trajectory simulation of secondary electrons, and may be read out by being selected by the input device 1504 according to the measurement purpose or the like.
  • As a lens condition to be stored for example, it is conceivable to set a lens that maximizes the detection efficiency of electrons with a desired emission angle and energy.
  • the trajectory and energy of the secondary electrons vary depending on the material constituting the sample, the pattern shape, the optical conditions of the electron microscope, etc., it is desirable to create a table for each combination of these conditions.
  • a table for storing the measurement site and the lens condition in association with each other may be stored in the memory 1506 so that the lens condition can be determined according to the selection of the measurement target, not the emission angle or energy.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating an example of a GUI (Graphical User Interface) displayed on the display device of the input device 1504, and FIG. 18 is a flowchart illustrating a process of finding an appropriate lens condition.
  • the GUI screen 1701 includes a setting window (Location) for setting a position for acquiring an SEM image, a setting window (Pattern Type) for setting a pattern type, and a setting window (Vacc) for setting an acceleration voltage of a primary electron beam.
  • a window for setting the total number of frames during image formation, a setting window for setting the scanning range (field of view (FOV (Field of View))) of the electron microscope, and setting the beam current of the primary electron beam
  • a setting window for setting the scanning range (field of view (FOV (Field of View)) of the electron microscope, and setting the beam current of the primary electron beam
  • FOV Field of View
  • setting windows SE (Secondary Electron) Lens Condition
  • setting windows ROI1, ROI2
  • the ROI setting window not only the coordinates of the ROI but also a window for setting the size thereof may be provided. Further, the position and size of the ROI may be set by a pointing device or the like.
  • a SEM image display area 1702 and a graph display area 1708 indicating the relationship between the lens conditions (SE Lens Condition) of the electrostatic lens and the brightness (Brightness) in the ROI are provided.
  • the vertical axis of the graph display area 1708 may be the brightness difference between the brightest and darkest pixels in the ROI instead of the brightness. In this embodiment, a case where the luminance difference is the vertical axis will be described.
  • a sample (wafer) is introduced into the vacuum sample chamber of the SEM, and SEM images are acquired based on the conditions set on the GUI screen 1701 (steps 1801 and 1802).
  • This SEM image is displayed in the SEM image display area 1702.
  • a hole pattern 1703 is displayed, and an edge 1704 of the intermediate layer located at the lower layer of the hole surface and an edge 1705 of the bottom layer of the hole are displayed.
  • an ROI is set on the SEM screen (step 1803).
  • ROIs 1706 and 1707 are set on the edge 1704 of the intermediate layer and the edge 1705 of the bottom layer, respectively.
  • the electrostatic lens is set to a predetermined condition, and an image is acquired under the lens condition (steps 1804 and 1805).
  • the image quality ratio evaluation in the ROI is performed (step 1806), and steps 1804 to 1806 are repeated until the image quality in the ROI reaches a predetermined state or until a predetermined number of condition settings are completed.
  • the predetermined state here refers to a state in which the luminance difference between bright and dark pixels in the ROI is equal to or greater than a predetermined value.
  • the fact that the brightness difference between the bright part and the dark part is large means that the edge that is the measurement reference is clear, for example, a brightness profile is formed, and the difference between the bottom and peak of the brightness profile is a predetermined value or more.
  • the lens conditions are set so that Alternatively, a predetermined number of lens conditions may be set, and a lens condition that maximizes the luminance difference may be set.
  • two ROIs 1706 and 1707 are set.
  • the lens conditions of the graph displayed in the graph display area 1708 are set. It is desirable to select A.
  • the measurement purpose is to measure the diameter of the intermediate layer of the hole pattern, it is desirable to select the lens condition B.
  • a lens condition C that increases the luminance value of both, although not the maximum value.
  • the lens condition may be set based on weighting in consideration of the importance of measurement or the like, or a lower limit value (threshold value) of the luminance difference is set in advance, and the luminance difference of a plurality of ROIs You may make it select the lens conditions with the highest addition average value of a brightness
  • a graph indicating the relationship between changes in information on the brightness of a plurality of ROIs and changes in lens conditions, or a table showing the relationship between these changes, is displayed on a display device, thereby achieving measurement purposes. It is possible to appropriately select the corresponding lens condition.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating an example of an image when electrons are detected by the upper detector 18 for each different intensity of the multistage lens and an image is formed based on the electrons.
  • the beam is scanned with the size of the field of view (the size of the scanning region by the upper scanning deflector 5 and the lower scanning deflector 6) being sufficiently large (low magnification), based on the electrons obtained by the upper detector 18.
  • the formed image is as shown in FIG.
  • the circular pattern illustrated in FIG. 19 is a projected image of the opening of the reflecting plate 13 and is formed based on electrons that have passed through the opening, so that an image with a bright circular interior and a dark circular exterior is formed.
  • FIG. 19 the image formed under the condition in which appropriate lens conditions are set in the image illustrated in FIG. 19 is (c).
  • the outline of the opening of the reflecting plate 13 is conspicuous, whereas in other figures, the outline of the opening is blurred and formed in a plurality.
  • a sample (wafer) is introduced into the vacuum sample chamber of the SEM, and SEM images are acquired (steps 2001 and 2002).
  • This SEM image is displayed in the SEM image display area 1702.
  • a projection image of the opening of the reflecting plate 13 is displayed.
  • an image is formed for each of a plurality of lens conditions (steps 2003 and 2004). The image thus formed is evaluated and appropriate lens conditions are selected (steps 2005 and 2006).
  • the luminance evaluation unit 1901 illustrated in FIG. 19 plots the luminance change with respect to the pixel position, thereby monitoring the luminance change for each lens condition.
  • the applied voltage C shows a sharp change in luminance at the edge portion, and it can be seen that the contrast of the edge portion of the opening of the reflector 13 is clear. Therefore, the detection amount of electrons emitted from the sample can be maximized by selecting an applied voltage in which the width of the slope portion of the edge portion is the smallest or the slope of the slope portion is the steepest.
  • the lens condition is selected based on the image evaluation as described above.
  • the projection image of the opening of the reflecting plate 13 is an evaluation object.
  • another structure having a primary electron beam passage opening for example, MCP (Micro Channel Plate) or the like.
  • the projection image of a direct detector or a member provided in the SEM other than the detector may be an evaluation target.
  • the lens condition that maximizes the output of the upper detector 18 is the condition that minimizes the output of the lower detector 15
  • the lens condition is controlled based on the output of the lower detector. Also good.

Landscapes

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Abstract

　本発明は、荷電粒子線装置のカラム内部に衝突して失われてしまう荷電粒子の量を抑制し、高効率に荷電粒子検出を行うことを目的とするものである。この目的を達成するために、荷電粒子ビームを集束する対物レンズ（８）と、当該対物レンズと前記荷電粒子源との間に配置される検出器（１５）と、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より離軸するように偏向する偏向器（１６）と、当該偏向器と前記対物レンズとの間に配置され、前記偏向器の偏向点に向かって、前記試料から放出された荷電粒子を集束する複数の静電レンズを形成する複数の電極（１９）を備えた荷電粒子線装置を提案する。

Description

荷電粒子線装置
　本発明は、荷電粒子線装置に係り、特に荷電粒子ビームの軌道への影響を抑制しつつ、試料から放出される荷電粒子の軌道を制御する荷電粒子線装置に関する。
　昨今の半導体デバイスの進歩に伴って、半導体の測定・検査技術は益々、その重要性を増している。ＣＤ－ＳＥＭ　（Ｃｒｉｔｉｃａｌ　Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ－Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）に代表される走査型電子顕微鏡は、電子ビームを試料上で走査し、試料から放出される２次電子を検出することによって、半導体デバイスに形成されたパターンの観察および測長を行うための装置である。このような装置において、高精度な測定・検査を行うためには、装置の条件を適正に設定し、２次電子の軌道を制御する必要がある。
　走査型電子顕微鏡の中でも、ＣＤ－ＳＥＭではパターンの測長を行うことから、１次電子ビームの安定性が特に重要になる。一方、２次電子に関しては、軌道のコントロールによって、所望の情報を有する２次電子を選択的に検出できることが望ましい。そのためには、１次電子ビームの軌道を変化させずに、２次電子の軌道のみを変化させられる機構が必要となる。
　走査型電子顕微鏡において、１次電子ビームの軌道を変化させずに２次電子の軌道のみを変化させられる機構の例として、直交電磁界による偏向器を用いて２次電子の軌道を１次電子の軌道と分離して、所望の情報を有する２次電子を検出する方法が、特許文献１に開示されている。
　また、特許文献２には、電極によるレンズ作用によって２次電子の収束度合いをコントロールし、２次電子の検出効率を向上させる方法が開示されている。
特開２０１４－２２０４０号公報（対応米国特許ＵＳＰ８，６４８，３００） 特許第５４７８６８３号公報（対応米国特許ＵＳＰ８，７５９，７６１）
　昨今のデバイスパターンにおいては、形状の複雑化や構成材料の多様化が著しく、ＣＤ－ＳＥＭを代表とした走査電子顕微鏡観察において、所望のコントラストを得ることが困難となりつつある。試料から放出された電子の内、検出器、或いは検出器近傍に設けられ、試料から放出された電子の衝突によって二次電子を生じさせる変換電極に到達しないものは、検出されることなく失われる。例えば、電子顕微鏡のカラム内部に衝突する電子や、環状検出器に設けられた電子ビーム通過開口を通過する電子は、検出器に到達することなく、失われる。失われた電子が測定や検査に必要な情報を持っている場合、十分なコントラストを得ることができず、高精度な測定や検査が困難となる。
　また、測定の目的によっては、特定の２次電子のエネルギーや放出角度の電子を選択的に検出することが望ましい場合もある。更に、特定のエネルギーの電子を選択的に検出することが望ましい場合もある。
　即ち、半導体構造の微細化が進む中で適正な測定や検査を行うためには、検出器に到達することなく失われる電子の量を抑制することが望まれる。また、少なくとも試料から放出される電子の中で所望の角度、或いはエネルギーを持つ電子を高効率に検出することが望まれる。
　特許文献１に開示されているような直交電磁界偏向器は、１次電子に大きな影響を与えることなく、２次電子を高効率に検出器に導くことが可能であるが、直交電磁界偏向器に到達するまでの２次電子の軌道は制御できず、対物レンズの励磁量などの光学条件に依存する。直交電磁界偏向器に到達するまでに２次電子が損失した場合は、当然その２次電子の検出は不可能である。
　また特許文献２に開示されているような捕集電極で２次電子軌道を収束させる方法では、あるエネルギー・放出角度の２次電子に対して所望の収束作用をさせることはできても、それらとは異なるエネルギー・放出角度をもつ２次電子を、同時に制御することは不可能である。同じ角度に放出された電子であっても、異なるエネルギーを持つものがあり、逆に異なる角度に放出された電子でも、同じエネルギーを持つものがある。特許文献２に開示の捕集電極では、例えば異なる方向に放出された同じエネルギーの電子や、同じ方向に放出された電子であって、異なるエネルギーを持つ電子の場合、そのエネルギーや放出方向の違い故に、捕集電極によって異なる方向に偏向されてしまうことになり、結果として検出器に到達可能な電子と、検出器に到達できない電子が発生することになる。このような場合、特定のエネルギーや放出角度の電子を高効率に検出することができない場合がある。
　以下に、試料から放出される荷電粒子の高効率検出を目的とする荷電粒子線装置を提案する。
　上記目的を達成するための一態様として、以下に荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを集束する対物レンズと、当該対物レンズと前記荷電粒子源との間に配置される検出器と、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より離軸するように偏向する偏向器と、当該偏向器と前記対物レンズとの間に配置され、前記偏向器の偏向点に向かって、前記試料から放出された荷電粒子を集束する複数の静電レンズを形成する複数の電極を備えた荷電粒子線装置を提案する。
　更に、上記目的を達成するための他の態様として、荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを集束する対物レンズと、当該対物レンズと前記荷電粒子源との間に配置される検出器と、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より離軸するように偏向する偏向器と、当該偏向器によって偏向された荷電粒子をエネルギー分光するエネルギー分光器と、当該エネルギー分光器と前記試料、或いは当該試料を搭載する試料ステージに負の電圧を印加する負電圧印加電源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更に他の態様として、以下に荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを集束する第１のレンズと、試料に照射される荷電粒子ビームを集束する対物レンズと、当該対物レンズと前記第１のレンズとの間に配置される検出器と、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より離軸するように偏向する偏向器と、前記第１のレンズの前記荷電粒子ビームの通過開口から、前記対物レンズの前記荷電粒子ビームの通過開口に至る前記荷電粒子ビームの通過軌道を包囲するように形成されると共に、正の電圧が印加される加速筒を備え、当該加速筒は、前記荷電粒子ビームの光軸方向に分割されている荷電粒子線装置を提案する。
　上記構成によれば、試料から放出される荷電粒子の高効率検出が可能となる。
走査型電子顕微鏡の構成を説明する図である。 走査型電子顕微鏡での２次電子軌道を説明する図である。 多段静電レンズによる２次電子の収束作用を説明する図である。 多段静電レンズとエネルギーフィルタの組み合わせを説明する図である。 多段静電レンズとスリットの組み合わせを説明する図である。 多段静電レンズとエネルギー分光器の組み合わせを説明する図である。 多段静電レンズと反射板開口による角度弁別を説明する図である。 静電レンズと走査偏向器の位置関係を説明する図である。 渦電流を抑制する静電レンズの構造を説明する図である。 静電偏向器と多段静電レンズの組み合わせを説明する図である。 静電偏向器を静電レンズとして動作させる例を説明する図である。 全段加速型の走査型電子顕微鏡の構成を説明する図である。 全段加速型の走査型電子顕微鏡での２次電子軌道を説明する図である。 全段加速円筒の多段化による２次電子軌道制御を説明する図である。 ＳＥＭを含む測定、検査システムの一例を示す図。 多段静電レンズのレンズ条件を記憶するためのテーブルの一例を示す図。 多段静電レンズのレンズ条件を設定するためのＧＵＩ画面の一例を示す図。 多段静電レンズのレンズ条件を選択する工程を示すフローチャート。 多段静電レンズのレンズ条件毎のＳＥＭ画像の一例を示す図。 多段静電レンズのレンズ条件を抽出する工程を示すフローチャート。 ＳＥＭ画像の画素位置と輝度との関係を示すグラフ。 エネルギー分析器にリターディング電圧を印加した例を説明する図。 エネルギー分析器にリターディング電圧を印加した例を説明する図。
　以下に説明する実施例では、例えば、多段の静電レンズによって得られる収束作用によって、エネルギーおよび放出角度の異なる荷電粒子に対して同一の収束点をもたせ、その収束点に配置された直交電磁界による偏向器によって２次荷電粒子軌道を１次荷電粒子軌道と独立して制御する荷電粒子線装置について説明する。多段静電レンズは、荷電粒子源と荷電粒子線を集束する対物レンズとの間に配置される。
　より具体的には、荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを集束する対物レンズと、当該対物レンズと前記荷電粒子源との間に配置される検出器と、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より離軸するように偏向する偏向器と、当該偏向器と前記対物レンズとの間に配置され、前記偏向器の偏向点に向かって、前記試料から放出された荷電粒子を集束する複数の静電レンズを形成する複数の電極を備えた荷電粒子線装置について説明する。
　上記構成によれば、２次荷電粒子の損失を極力低減した上で、２次荷電粒子の軌道を１次荷電粒子軌道とは独立して制御することができる。
　以下、実施の形態および実施例について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明は省略する。なお、以下の説明では電子ビームを試料上にて走査する走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）を例にとって説明するが、これに限られることはなく、例えば集束イオンビーム装置（Ｆｏｃｕｓｅｄ　Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ：　ＦＩＢ）等の他の荷電粒子線装置に適用することができる。また、実施の形態は走査型電子顕微鏡の一例を説明しているに過ぎず、実施の形態と異なる構成からなる走査型電子顕微鏡に適用することができる。
　図１は、走査型電子顕微鏡の構成を説明する図である。　走査型電子顕微鏡１０１では、陰極電圧５１が印加された電界放射陰極１と、陰極電圧５１に重畳した引出電圧５２が印加された引出電極２との間に引出電界が形成され、１次電子ビーム３が引き出される。
　このようにして引き出される１次電子ビーム（荷電粒子線）３は、コンデンサレンズ４による集束と、上走査偏向器（第１の偏向器）５、及び下走査偏向器（第２の偏向器）６による走査偏向を受ける。引出電極２とコンデンサレンズ４の間には、１次電子ビーム３の強度、及び開き角を制御する対物絞り７が配置される。上走査偏向器５、及び下走査偏向器６の偏向強度は、対物レンズ８のレンズ中心を支点として、試料電圧５３が印加されたホルダー９にセットされる試料１０上を２次元走査するように調整されている。
　上走査偏向器５、及び下走査偏向器６によって偏向される１次電子ビーム３は、対物レンズ８の通路に設けられる、後段加速電圧５４が印加された後段加速円筒１１でさらに加速される。後段加速円筒１１は、１次電子ビーム３を加速させる電界を形成する。後段加速される１次電子ビーム３は、対物レンズ８のレンズ作用で絞られる。
　試料１０から放出される２次電子や後方散乱電子等の電子（荷電粒子）は、負の試料電圧５３が印加された試料１０と、後段加速円筒１１との間に形成される電界によって、１次電子ビーム３の照射方向とは逆の方向に加速される。２次電子１２は反射板１３に衝突して３次電子（荷電粒子）１４に変換され、これらの３次電子１４を下検出器１５に導き、ＳＥＭ像を形成する。反射板１３は、１次電子ビーム３が通過するための穴が空いており、コンデンサレンズ４と対物レンズ８の間に配置される。なお、下検出器１５に換えて、反射板１３の位置に環状検出器を配置するようにしても良い。
　コンデンサレンズ４と反射板１３の間には、２次電子ビームを偏向するための直交電磁界偏向器１６が配置されている。この直交電磁界偏向器１６は、磁界と電界両方による偏向作用を有する。直交電磁界偏向器１６の磁界と電界強度は、１次電子ビーム３を変化させず、かつ反射板１３を通過した２次電子ビーム１７が、１次電子ビーム３より離軸し、上検出器１８に到達するように調整される。
　対物レンズ８と反射板１３との間には、上走査偏向器（第１の偏向器）５、及び下走査偏向器（第２の偏向器）６と同軸に配置された、少なくとも２段以上の多段静電レンズ１９が配置される。多段静電レンズ１９は、負の静電レンズ電圧５５が印加された静電レンズと、接地電位の静電レンズが交互に配置される。多段静電レンズ１９によって、試料１０から放出された２次電子１７は、次々と収束作用を受ける。収束作用は負の静電レンズ電圧５５によって調整することができ、反射板１３を通過する２次電子のエネルギーおよび放出角度を変化させることができる。なお、静電レンズは電極に印加する電圧によって発生する電界によって生じるものであるが、便宜上、本明細書では電極自体をレンズと称することもある。
　下検出器１５および上検出器１８にて検出される電子は、増幅器で増幅され、上走査偏向器５、及び下走査偏向器６に供給される走査信号と同期して画像表示装置上に表示される。１０１に示す走査型電子顕微鏡の各構成要素に印加する電流或いは電圧は、走査型電子顕微鏡本体とは別に設けられる制御装置を用いて、制御するようにすることが可能である。制御装置は、ＣＰＵやフレームメモリ、プログラムおよびデータが格納される記憶装置を備える。
　次に多段静電レンズによる収束作用を利用した２次電子軌道制御に関して説明する。図２は、多段静電レンズのないＳＥＭにおける２次電子軌道の例を示している。このような装置構成では、対物レンズ８の励磁量や、後段加速円筒１１の条件によって、２次電子軌道が規定される。即ち、１次電子ビーム３の照射条件によって２次電子軌道が規定されてしまい、２次電子軌道を独立して制御することができない。例えば、反射板１３に到達する２次電子１４を、反射板１３を通過させて上検出器１８で検出することはできない。また、反射板１３を通過した２次電子１７を直交電磁界偏向器１６で偏向させて上検出器１８で検出しようとしたとき、２次電子の軌道が発散するような光学条件である場合は、反射板１３を通過する２次電子１７が少なくなり、それに伴い検出器１８での検出信号量も少なくなってしまうため、高いコントラストのＳＥＭ像が得られなくなる。また、カラム内壁に衝突して損失してしまうような２次電子１９も検出不可能であり、コントラスト低下の要因となる。
　図３は５段の多段静電レンズ１９を配置した荷電粒子線装置の構成例である。図３では５段の電極からなる静電レンズを例示しているが、２段以上であれば静電レンズの段数を制限するものではない。また図３では例として、負電位と接地電位の交互の構成になっているが、各静電レンズに印加する電位の極性、及び大きさを制限するものではない。
　ここでは、多段静電レンズ１９の収束作用により、異なるエネルギーあるいは放出角度の２次電子２０、及び２１を共に、直交電磁界偏向器１６の作用点に収束させている。直交電磁界偏向器１６の動作によって、２次電子２０、及び２１を共に上検出器１８で検出できる。
　多段静電レンズ１９を動作させることで、カラム内壁に衝突して損失するような２次電子も、収束作用によって２次電子２０のような軌道になり、損失を防ぐことができる。静電レンズは凸レンズであり収束作用しか生じないため、エネルギーおよび放出角度の異なる電子であっても、２次電子２０、及び２１のように同じ点で収束させ、上検出器１８で検出することが可能である。このような２次電子軌道の制御は、図２に例示する構成のＳＥＭでは不可能である。
　荷電粒子が電子の場合は、静電レンズに負電位を印加することで、反発力によって収束しやすくなる。また、静電レンズ電位を大きくしたり、レンズ間のギャップを小さくしたりすることで、当然収束作用は強くなる。
　本実施例によれば、複数の電極間に形成される複数の静電レンズによって、直交電磁界偏向器１６の作用点（偏向点）に種々の方向に放出された電子や、異なるエネルギーの電子を向かわせるように収束させることが可能となるため、試料から放出された電子、或いは当該電子が反射板等に衝突することによって得られる３次電子等を高効率に検出することが可能となる。
　なお、多段レンズによって、試料から放出される電子の軌道を徐々に収束させる（偏向点へ電子を向かわせる）ことによって、反射板１３を通過する電子の開き角を狭くすることができ、上検出器１８の検出効率を向上させることができる。これは、例えば１段の電極によって電子の軌道を収束する場合、複数方向に向かう電子を収束するために大きな電圧を電極に印加する必要があり、結果として反射板１３の開口に到達し、開口を通過する電子の開き角が大きくなる。開き角が大きくなると、上検出器１８以外の方向に向かう電子が増大するため、検出効率が低下する。一方、多段レンズによれば、徐々に電子の軌道を収束することができるため、開き角を狭くすることができ、結果として試料から放出された電子の高効率検出を行うことが可能となる。
　図４では、上検出器１８の前段に、メッシュ状のエネルギーフィルタ２２を配置した例である。エネルギーフィルタ２２には、あるエネルギー以下の２次電子を追い返すために、負のエネルギーフィルタ電圧５６が印加される。エネルギーフィルタ２２の分解能を向上させ、適正にエネルギー分離を行うために、エネルギーフィルタ２２のメッシュは２次電子の軌道に対して垂直になるように配置する。
　本例では２次電子２０が、２次電子２１に比べてエネルギーが高い場合を示している。このような場合にエネルギーフィルタ２２に負電位を印加すると、ハイパスフィルターとなって、例えば２次電子２０のエネルギーより高い２次電子のみの像を形成することができる。多段輸送レンズ１９の収束作用によって、エネルギーフィルタに到達する２次電子の数が増加しているため、あるエネルギー以下の２次電子をカットしても、信号量の大きいＳＥＭ像を得ることが可能である。
　図５は、上検出器１８の前段に、スリット２３を配置した例である。直交電磁界偏向器１６の偏向量は任意に変更可能であるため、スリット２３に到達する２次電子のエネルギーを任意に制御できる。例えば、２次電子２０が２次電子２１に比べてエネルギーが高いとき、直交電磁界偏向器１６の偏向量を２次電子２０がスリット２３を通過する強度に設定すれば、２次電子２０のみのバンドパス像が形成可能である。
　スリット２３でのエネルギー弁別を行うには、そもそも広範囲のエネルギーの２次電子が直交電磁界偏向器１６まで到達していることが必要である。多段静電レンズがない従来のＳＥＭ装置の構成では、２次電子の軌道が発散してしまい、特定のエネルギーの２次電子しか直交電磁界偏向器１６の作用点に到達しないため、任意のエネルギー弁別は不可能である。
　図６は、上検出器１８の前段に、エネルギー分光器２４を配置した例である。エネルギー分光器２４は、エネルギー分解能を向上させるため、出射スリット２５を備える。ここでは、例として円筒型のセクタを用いたエネルギー分光器を図示しているが、エネルギー分光が可能な構造であれば、この構造に限定しない。ここでは２次電子をエネルギー分光するための電源を備え、内側、及び外側の電極にそれぞれ、正のセクタ電圧５７、および負のセクタ電圧５８を印加している。
　スリット２３のみでもエネルギー分光は可能であるが、直交電磁界偏向器１６への２次電子の到達角度のばらつきがあると、スリット２３を通過する２次電子のエネルギーもばらつき、エネルギー分解能が劣化する。したがって、スリット２３の後段にエネルギー分光器２４を配置することで、更にエネルギー分解能を向上させた状態でのバンドパス像が取得可能である。
　２次電子の軌道を制御する多段レンズの採用によって、色々な方向に放出される電子の内、同じエネルギーを持つ電子の収率を向上させることができるため、エネルギー分光によって、検出量が低下したとしても、その低下の影響を抑制することが可能となる。
　なお、エネルギー分光器２４のエネルギー分解能ΔＥは、「ΔＥ／Ｅ＝一定」で決定されるため、ΔＥを向上させるためには、エネルギー分光器２４で分光する２次電子２０のエネルギーＥを小さくする必要がある。 
　したがって、図２２に示すように、試料１０に印加している減速電圧２０１を、エネルギー分光器２４の内側セクタ５７と、外側セクタ５８に印加することによって、ΔＥを小さくする。減速電圧２０１を試料１０（或いは試料が載せられる試料ステージ）に印加しているような光学系においてΔＥを向上させるには、エネルギー分光器２４に印加する内側セクタ電圧５７および外側セクタ５８を減速電圧２０１でフローティングさせ、エネルギー分光器２４を通過する２次電子２０のエネルギーを小さくすればよい。 
　またスリット２３および出射スリット２５も、２次電子２０の軌道発散を抑えるために減速電圧２０１近傍の電位に設定する。そのためには、減速電圧２０１に、スリット電圧２０２を重畳すればよい。スリット電圧２０２は、２次電子２０が追い返されないよう、絶対値が減速電圧２０１より十分に小さい数Ｖ程度の正電位を与えればよい。 
　多段静電レンズ１９によって直交電磁界偏向器１６に到達した２次電子２０は、径方向に収束されてはいるが、２次電子である以上エネルギー分散をもつため、色分散により軌道が発散してスリット２３に到達する。これを抑制するためには、図２３に例示するように、スリット２３手前に集光静電レンズ２０３（複数段の電極）を配置する。集光静電レンズ２０３は、負電位が印加される電極が、接地電位の電極で挟まれた構造とすればよい。 
　また、エネルギー分光器２４の入射部における２次電子２０の角度分散が小さいほど、エネルギー分解能は向上する。２次電子２０の開き角を抑えるためには、スリット２３（複数段の電極）を多段にするのが効果的である。図２３の例では、３枚のスリット構造を示している。光軸側の１枚目のスリットには、数ｋＶの高い正電位を印加して２次電子２０を加速させることで角度分散を抑制する。２枚目のスリットは電界の歪みを低減させて角度分散を抑制する働きをする。角度分散が抑制されることによって、２次電子の軌道を小さな角度とすることができ、当該２次電子をエネルギー分光器の入射部まで導入することが可能になる。
　また、２枚目と３枚目のスリットによって、数ｋＶが印加された１枚目のスリットによって形成される電界の侵入を抑制することができる。数ｋＶの電圧印加によって形成される電界は非常に強いものであり、エネルギー分光器の入射部まで電界が染み出してしまうと、そこで２次電子の角度分散が起こり、エネルギー分解能が劣化する。そこで図２３の例では、数ｋＶの電圧が印加される１枚目のスリットと、エネルギー分光器との間に、２枚のスリットを配置することで、電界のエネルギー分光器への染み出しを抑制する構成とした。なお、１枚でも電界染み出しの低減効果はあるが、２枚のほうが、効果が大きいので、２枚のスリットを設けることが望ましい。なお、２枚目と３枚目のスリットに、試料に印加される電圧であるリターディング電圧Ｖｒに対して数Ｖ程度の正電位を印加するのは、Ｖｒと同じ電位にしてしまうと、２次電子のエネルギー分光器への入射角度によっては、電位障壁によって追い返されて、取得できない２次電子が出てくるからである。
　多段静電レンズ１９に印加する多段静電レンズ電圧５５の極性を正に設定することで、２次電子の放出角度を弁別して検出することも可能になる。図７に示すように、多段静電レンズ１９と反射板１３の開口を利用する。多段静電レンズ１９に正の電圧を印加した場合でも、静電レンズの性質上、２次電子は収束作用を示す。しかし、反射板１３の前段（反射板に最も近い位置）の静電レンズ（電極）が正電位だと、光軸から離軸している２次電子２１のような電子は、正の電界作用によって反射板１３との間で発散する。軌道の発散の大きさは、多段静電レンズ１９に印加する正電圧５５の大きさによって制御でき、反射板１３（１次電子ビームの通過開口を有する通過開口形成部材）の開口を通過する２次電子を変化させることができる。
　試料１０からの放出角度が、光軸からみて小さい２次電子（例えば２次電子２０）は、反射板１３の開口中心近傍を通過し、放出角度が大きい２次電子（例えば２次電子２１）の軌道は反射板１３の開口中心から遠ざかる。したがって、発散作用を大きくすれば、試料１０から放出された２次電子のうち、試料垂直方向に放出された２次電子が支配的なＳＥＭ像が得られる。このような条件は、深穴や深溝の穴底、及び溝底パターンの観察に適している。
　以上のように、多段静電レンズ１９と反射板１３の組み合わせで放出角度弁別の機構が実現可能であるが、実施例２、３、４でそれぞれ示した、エネルギーフィルタ２２、スリット２３、エネルギー分光器２４の構造と組み合わせることも、当然のことながら可能である。
　多段静電レンズ１９は上走査偏向器５、及び下走査偏向器６と同軸に配置されるため、１次電子ビーム３への影響を極力抑える構造、及び配置にすることが望ましい。図８は、１次電子ビーム３への静電レンズの影響を抑制し得る構成を示す図である。静電レンズが発生する電界は、試料１０上の偏向領域を歪ませる要因となる。パターンの測長を行うＣＤ－ＳＥＭでは、偏向歪みが生じると測長値が変化してしまうため、偏向歪みの抑制は特に重要である。
　偏向歪みを抑えるためには、１次電子ビーム３の上偏向支点２６、及び下偏向支点２７での電界が極力小さいことが必要である。このような状況を実現するために、上偏向支点２６、及び下偏向支点２７と、多段静電レンズ１９のうち接地電位の静電レンズの高さ中心を同じにする。以上のような構成にすることで、偏向歪みを抑制することが可能である。なお、本例では走査偏向器として磁界型の偏向器を採用した。
　このように、上走査偏向器５と、下走査偏向器６のそれぞれに接地電位の電極を設ける必要がある前提で考えると、この２つの電極を挟みこむように、レンズを形成するための電圧が印加される電極を配置する必要がある。よって、少なくとも４段（好ましくは接地電位の電極間の電子の広がりを抑制する電極があった方が良いので５段）の電極を設置することが望ましい。
　磁界作用を用いた電磁走査偏向の場合、静電レンズを非磁性の材料で作成することは当然であるが、走査偏向器は高速で動作するため、静電レンズで生じる渦電流を抑制する必要がある。渦電流も偏向歪みの要因となるため、やはりＣＤ－ＳＥＭではその抑制が特に重要である。渦電流を抑制する静電レンズの構造としては、図９に示すように、静電レンズ２８（筒状の電極）に切り込み２９を入れて、渦電流の流れを切る方法が効果的である。
　多段静電レンズ１９は、図１０に示すような静電走査偏向器を搭載した走査型電子顕微鏡でも適用可能である。磁界走査偏向器と同様、偏向歪みを抑制するためには、上静電走査偏向器３０、及び下静電走査偏向器３１の偏向支点である、上偏向支点２６、下偏向支点２７と、接地電位の静電レンズ中心の高さを同じにする。
　静電偏向器の場合は、偏向器自体が静電レンズの役割を果たす。静電偏向器は図１１に示すような構造になっている。なお、ここでは例として４極の静電偏向器を示してあるが、８極や１２極の静電偏向器であっても何ら問題はない。ここでは、Ｘ＋電極３２、Ｘ－電極３３、Ｙ＋電極３４、Ｙ－電極３５から構成されており、それぞれ静電偏向電圧５９、６０、６１、６２が印加されている。静電偏向電圧５９と６０、偏向電圧６１と６２は、それぞれ極性が反転しているだけで、大きさは同じである。
　静電偏向器を静電レンズとして動作させる場合は、オフセット電圧３６を各電極にオフセットとして印加し、そこに偏向電圧を重畳させる。以上のような構成によれば、静電走査偏向器の電極が静電レンズの作用をもち、静電レンズと静電偏向器の機能を同時にもたせることができる。偏向支点と同じ高さに配置する静電走査偏向器においては、オフセット電圧３６を０Ｖに設定すればよい。
　次に、図１で示したような、１次電子ビーム３が試料１０直前で後段加速される形式以外の、走査型電子顕微鏡における実施例を述べる。
　図１２は、１次電子ビーム３が、引出電極２を通過した直後から試料１０直前までの全段にわたり、全段加速電圧６４が印加された全段加速円筒３６によって加速される形式の走査型電子顕微鏡の構成を示したものである。全段加速方式の利点としては、高速で１次電子ビーム３が照射されるため、分解能がよいことが挙げられる。また図１で示した後段加速方式では、後段加速円筒１１と接地電位が形成するレンズ作用によって収差が発生する可能性があるが、全段加速方式ではそこでの収差が発生しない。なお、前段加速円筒３６は、１次電子ビーム３の加速電極に接続され、或いは加速電極によって加速された後に１次電子ビーム３を更に加速させる位置（例えば加速電極の直下）にその上端が位置すると共に、その下端が、対物レンズに到達するように構成されている。
　一方、２次電子の軌道制御の観点から見れば、全段加速円筒３６によって２次電子の速度が常に大きくなることから、軌道制御は困難となる。さらに、直交電磁界偏向器も使用電圧が非常に大きくなるために基本的には使用できず、２次電子の軌道を１次電子ビーム３の軌道と独立して制御することができない。
　したがって、光軸上の２次電子３７を検出器３８に導くためには、４段の１次電子偏向器３９を用いて１次電子ビーム３を離軸させ、検出器３８通過後に光軸に戻すことを行う。光軸に戻った点で、１次電子ビーム３と進行方向が逆の２次電子３７は、１次電子ビーム３とは反対の方向に偏向し、２次電子３９の軌道となって検出器３８で検出される。
光軸から離軸した２次電子は、検出器４０、及び検出器４１で検出される。低速の２次電子は、対物レンズ８の収束作用によって対物レンズ近傍で収束し、その後発散するため、検出器４０では比較的低速の２次電子が検出される。一方、高速の２次電子は収束点が対物レンズから遠ざかるため、主に検出器４１で検出される。
　図１３に示すように、全段加速方式のＳＥＭにおいても、後段加速方式のＳＥＭと同じく、２次電子の軌道は１次電子ビーム３の光学条件によって規定され、検出器３８、４０、４１に到達する２次電子を独立して制御することは不可能である。例えば、２次電子４３を、検出器３８で検出する手段はない。さらに全段加速ＳＥＭでは、直交電磁界偏向器による、１次電子ビーム軌道と独立した２次電子軌道制御も困難である。したがって、２次電子４２のように、１次電子ビーム３の離軸条件によっては、検出器３８に到達しない２次電子も存在する。また当然、２次電子４４のようにカラムに衝突して損失する２次電子も存在する。
　本実施例では、荷電粒子ビームを集束する第１のレンズ（例えばコンデンサレンズ４、なお、第１のレンズは２以上あっても良い）と、試料に照射される荷電粒子ビームを集束する対物レンズと、当該対物レンズと前記第１のレンズとの間に配置される検出器（例えば検出器３８）と、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より離軸するように偏向する偏向器（例えば１次電子偏向器３９の最下段の偏向器）と、前記第１のレンズの前記荷電粒子ビームの通過開口から、前記対物レンズの前記荷電粒子ビームの通過開口に至る前記荷電粒子ビームの通過軌道を包囲するように形成されると共に、正の電圧が印加される加速筒を備え、当該加速筒は、前記荷電粒子ビームの光軸方向に分割されている荷電粒子線装置について説明する。なお、ここで言うところの加速筒は、後述する多段静電レンズ４５に相当する。
　全段加速方式のＳＥＭであっても、後段加速方式ＳＥＭと同様に、多段静電レンズの効果で２次電子軌道をコントロールすることができる。図１４に示すように、全段加速円筒に少なくとも１段のギャップを設け、それぞれ独立に図示しない電源を用いて電圧が印加されるようにして多段静電レンズ４５を形成する。
　多段静電レンズ４５の収束作用によって、本来はカラム内壁に衝突して損失していた４６、４７のような２次電子は、それぞれ検出器４０、４１で検出されるようになる。
　また、１次電子ビーム３を光軸に戻す磁界作用で検出器３８に偏向される２次電子は、エネルギーの高い電子ほど光軸から近い場所に偏向される。２次電子４８、及び４９は、静電レンズの収束作用を受けながら検出器３８に到達する。一方、静電レンズによる収束作用がなければ、エネルギーの低い２次電子４９はカラム内部に衝突して損失し、エネルギーの高い２次電子４８のみが検出される。静電レンズの収束効果による検出信号量の増加によって、高コントラストの像観察が可能となる。
　図１４に示した構造のＳＥＭに、実施例２、３、４でそれぞれ示した、エネルギーフィルタ２２、スリット２３、エネルギー分光器２４の構造を組み合わせることも、当然のことながら可能である。この場合は、エネルギーフィルタ２２、スリット２３は検出器３８の前段に、エネルギー分光器２４は検出器３８の後段に配置する。なお、実施例５で示した２次電子の放出角度弁別も、検出器４０、４１の開口と、静電レンズの収束作用を用いれば実現可能である。
　さらに実施例６で示した、走査偏向器と静電レンズの高さを一致させることや、実施例７で示した静電レンズに切り込みを入れて渦電流を抑制させることができるのは、図１で示した後段加速型のＳＥＭと同様である。また実施例８で示した静電偏向器の構成も、後段加速型ＳＥＭのものをそのまま適用可能であることは当然である。
　本実施例では、複数段の静電レンズを適正に調整することによって、所望の測定や検査を実行する例について説明する。図１５はＳＥＭ１５０１を含む測定、検査システムの一例を示す図である。
　本システムには、ＳＥＭ１５０１、当該ＳＥＭの制御装置１５０２、及び演算処理装置１５０３からなる走査電子顕微鏡システムが含まれている。演算処理装置１５０３には、制御装置１５０２に所定の制御信号を供給、及びＳＥＭ本体１３０１にて得られた信号の信号処理を実行する演算処理部１５０７と、得された画像情報や、レシピ情報を記憶するメモリ１５０６が内蔵されている。なお、本実施例では、制御装置１５０２と演算処理装置１５０７が別体のものとして説明するが一体型の制御装置であっても良い。
　試料から放出された電子、或いは変換電極にて発生した電子は、検出器１２１３にて捕捉され、制御装置１５０２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１５０７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。
　演算処理装置１５０７には、入力装置１５０４によって入力された測定条件等に基づいて、ＳＥＭの光学条件を設定する光学条件設定部１５０８、後述するように画像全体、或いは設定されたＲＯＩ（Ｒｅｇｉｏｎ　Ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）の画質を評価する画質評価部１５０９、及び取得された信号波形に基づいて、パターンの寸法を測定するパターン測定部１５１０が内蔵されている。パターン測定部１５１０では、例えば検出信号に基づいて、ラインプロファイルを形成し、プロファイルのピーク間の寸法測定が実行する。
　なお、ビームの照射位置、或いは走査位置の変更は、試料ステージの駆動信号、或いはイメージシフト偏向器への供給信号を制御することによって実行する。
　更に演算処理装置１５０８とネットワークを経由して接続されている入力装置１５０４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が表示される。
　なお，演算処理装置１５０７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。また、上述のように、制御装置１５０２と演算処理装置１５０３を１の演算装置とするようにしても良い。また，入力装置１５０４は，検査等に必要とされる電子デバイスの座標，パターンの種類、撮影条件（光学条件やステージの移動条件）を含む測定条件を、撮像レシピとして設定する撮像レシピ作成装置としても機能する。また、入力装置１３１０は、入力された座標情報や、パターンの種類に関する情報を、設計データのレイヤ情報やパターンの識別情報と照合し、必要な情報を図示しない設計データ記憶媒体から読み出す機能も備えている。
　まず、本実施例では予め多段静電レンズ１９のレンズ条件をメモリ１５０６に記憶しておくと共に、入力装置１５０４から入力された測定、検査条件に基づいて、記憶されたレンズ条件（例えば電極への印加電圧）を読み出すようにする例について説明する。図１６は、２次電子の放出角（ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ）と、２次電子のエネルギー（ｅｎｅｒｇｙ）の組み合わせ毎の適正なレンズ条件を記憶するテーブルの一例を示す図である。無論、放出角とエネルギーのどちらか一方と、レンズ条件の関係を示すテーブルであっても良い。このようなテーブルを例えば、二次電子の軌道シミュレーション等に基づいて予め作成しておき、測定目的等に応じて、入力装置１５０４によって選択することによって読み出すようにすると良い。記憶されるレンズ条件としては例えば、所望の放出角とエネルギーの電子の検出効率が最も高くなるものを設定しておくことが考えられる。
　また、２次電子の軌道やエネルギーは、試料を構成する材料、パターン形状、電子顕微鏡の光学条件等によって変化するため、これらの条件の組み合わせごとに、テーブルを作成しておくことが望ましい。
　更に、放出角やエネルギーではなく、測定対象の選択に応じてレンズ条件が決定できるように、測定部位とレンズ条件を関連付けて記憶するテーブルをメモリ１５０６に記憶するようにしても良い。
　次に、適正なレンズ条件を見出すための手法について説明する。図１７は入力装置１５０４の表示装置に表示されるＧＵＩ(Ｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ)の一例を示す図であり、図１８は、適正なレンズ条件を見出す工程を示すフローチャートである。ＧＵＩ画面１７０１には、ＳＥＭ画像を取得する位置を設定する設定ウィンドウ（Ｌｏｃａｔｉｏｎ）、パターンの種類を設定する設定ウィンドウ（Ｐａｔｔｅｒｎ　Ｔｙｐｅ）、１次電子ビームの加速電圧を設定する設定ウィンドウ（Ｖａｃｃ）、画像形成の際のフレーム積算数を設定するウィンドウ（Ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　Ｆｒａｍｅｓ）、電子顕微鏡の走査範囲（視野（ＦＯＶ（Ｆｉｅｌｄ　Ｏｆ　Ｖｉｅｗ）））を設定する設定ウィンドウ、１次電子ビームのビーム電流を設定する設定ウィンドウ（Ｐｒｏｂｅ　Ｃｕｒｒｅｎｔ）が設けられている。
　更に、ＧＵＩ画面１７０１上には、静電レンズ１９のレンズ条件を設定する設定ウィンドウ（ＳＥ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ）Ｌｅｎｓ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）や、ＲＯＩの座標を設定する設定ウィンドウ（ＲＯＩ１、ＲＯＩ２）が設けられている。ＲＯＩの設定ウィンドウはＲＯＩの座標だけではなく、その大きさを設定するウィンドウを設けるようにしても良い。また、ポインティングデバイス等によってＲＯＩの位置や大きさを設定可能とするようにしても良い。
　また、ＧＵＩ画面１７０１上には、ＳＥＭ画像表示領域１７０２と、静電レンズのレンズ条件（ＳＥ　Ｌｅｎｓ　Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）とＲＯＩ内の明るさ（Ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ）の関係を示すグラフ表示領域１７０８が設けられている。なお、グラフ表示領域１７０８の縦軸は明るさではなく、ＲＯＩ内の最も明るい画素と最も暗い画素間の輝度差であっても良い。本実施例では輝度差が縦軸である場合について説明する。
　以下に、ＧＵＩ画面１７０１にて設定した条件に基づいて、適正な静電レンズのレンズ条件を見出す工程を図１８のフローチャートを用いて説明する。
　まず、ＳＥＭの真空試料室に試料（ウェハ）を導入し、ＧＵＩ画面１７０１に設定された条件に基づいて、ＳＥＭ画像を取得する（ステップ１８０１、１８０２）。このＳＥＭ画像は、ＳＥＭ画像表示領域１７０２に表示される。ＳＥＭ画像表示領域１７０２に表示されたＳＥＭ画像には、ホールパターン１７０３が表示され、更にホール表面の下層に位置する中間層のエッジ１７０４、及びホールのボトム層のエッジ１７０５がそれぞれ表示されている。次に、ＳＥＭ画面上でＲＯＩを設定する（ステップ１８０３）。図１７の例では、中間層のエッジ１７０４と、ボトム層のエッジ１７０５のそれぞれに、ＲＯＩ１７０６、１７０７が設定されている。
　以上のようにＲＯＩが設定された状態で、静電レンズを所定の条件に設定し、そのレンズ条件にて画像を取得する（ステップ１８０４、１８０５）。この際にＲＯＩ内の画質比評価を行い（ステップ１８０６）、ＲＯＩ内の画質が所定の状態となるまで、或いは所定数の条件設定が終了するまで、ステップ１８０４～１８０６の工程を繰り返す。ここで言うところの所定の状態とは例えば、ＲＯＩ内の明るい画素と暗い画素の輝度差が所定値以上となる状態のことである。明るい部分と暗い部分の輝度差が大きいということは、測定基準となるエッジが明瞭になっている状態であるため、例えば輝度プロファイルを形成し、当該輝度プロファイルのボトムとピークの差が所定値以上となるように、レンズ条件を設定する。また、所定数のレンズ条件を設定し、上記輝度差が最も大きくなるレンズ条件を設定するようにしても良い。
　なお、本実施例では２つのＲＯＩ１７０６、１７０７を設定しているが、例えば測定目的がホールパターンのボトムの径を測定することにあるのであれば、グラフ表示領域１７０８に表示されたグラフのレンズ条件Ａを選択することが望ましい。一方、測定目的がホールパターンの中間層の径の測定にあるのであれば、レンズ条件Ｂを選択することが望ましい。更に、ボトム層と中間層の双方が測定対象である場合には、最大値ではないものの、双方の輝度値が高くなるレンズ条件Ｃを選択することが望ましい。複数のＲＯＩを測定対象とする場合、最適なレンズ条件を見出すために各ＲＯＩの輝度値を加算平均して得られた値が最も高いものを選択するようにしても良い。また、測定の重要度等を考慮した重み付けに基づいて、レンズ条件を設定するようにしても良いし、輝度差の下限値（閾値）を予め設定しておき、複数のＲＯＩの輝度差が当該閾値をいずれも上回るレンズ条件の中から、輝度差の加算平均値が最も高いレンズ条件を選択するようにしても良い。
　図１７に例示するように、複数のＲＯＩの輝度に関する情報の変化と、レンズ条件の変化の関係を示すグラフ、或いはこの変化の関係が判る表等を表示装置に表示させることによって、測定目的に応じたレンズ条件の選択を適正に行うことが可能となる。
　次に、適正なレンズ条件を見出すための他の手法について説明する。図１９は、多段レンズの異なる強度ごとに、上検出器１８によって電子を検出し、その電子に基づいて画像を形成したときの画像の例を示す図である。視野の大きさ（上走査偏向器５と下走査偏向器６による走査領域の大きさ）を十分に大きく（低倍率）してビームを走査すると、上検出器１８によって得られた電子に基づいて形成される画像は、図１９のようになる。図１９に例示する円形のパターンは、反射板１３の開口の投影像であり、開口を通過した電子に基づいて形成されるため、円形内部が明るく、円形外部が暗い画像が形成される。
　本実施例では、このような画像を参照して、適正なレンズ条件を見出す手法について説明する。本実施例において、図１９に例示する画像の中で適正なレンズ条件が設定された条件で形成される画像は（ｃ）である。（ｃ）の画像は、反射板１３の開口の輪郭が際立っているのに対し、他の図は、開口の輪郭線がぼけて複数に形成されている。試料から放出された電子が、多段レンズによって収束され、反射板１３に焦点が合うと、図１９（ｃ）のような画像が形成される。反射板１３に焦点が合うと、反射板１３の位置にて、試料から放出された電子が最も絞られ、開口を通過する電子の量が最大となる。図２０は、このようなレンズ条件を見出すための工程を示すフローチャートである。
　まず、ＳＥＭの真空試料室に試料（ウェハ）を導入し、ＳＥＭ画像を取得する（ステップ２００１、２００２）。このＳＥＭ画像は、ＳＥＭ画像表示領域１７０２に表示される。ＳＥＭ画像表示領域１７０２に表示されたＳＥＭ画像には、反射板１３の開口の投影像が表示される。このときの多段レンズのレンズ条件を初期条件として、複数のレンズ条件ごとの画像を形成する（ステップ２００３、２００４）。このようにして形成された画像を評価し、適正なレンズ条件を選択する（ステップ２００５、２００６）。
　なお、画像評価を行う場合、例えば図１９に例示する輝度評価部１９０１について、画素位置に対する輝度の変化をプロットすることによって、レンズ条件ごとの輝度変化をモニタする。図２１の例では、印加電圧Ｃがエッジ部分にて輝度が急峻な変化を見せており、反射板１３の開口のエッジ部分のコントラストが明確になっていることがわかる。そこで、エッジ部分のスロープ部分の幅が最小、或いはスロープ部分の傾きが最も急峻となる印加電圧を選択することによって、試料から放出される電子の検出量の極大化が可能となる。
　以上のような制御を自動的に実行するＳＥＭによれば、適正なレンズ条件を容易に見出すことができる。なお、特定のエネルギーの電子の量を極大化するために、例えばエネルギーフィルタやエネルギー分析器を通して得られた電子の検出に基づいて、上述のような画像評価に基づく、レンズ条件の選択を行うようにしても良い。
　また、本実施例では、反射板１３の開口の投影像を評価対象としたが、反射板１３ではなく、１次電子ビームの通過開口を有する他の構造物（例えばＭＣＰ（Ｍｉｃｒｏ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｐｌａｔｅ）等の直接検出器や、検出器以外のＳＥＭ内に設けられた部材）の投影像を評価対象とするようにしても良い。また、上検出器１８の出力が最大となるレンズ条件が、下検出器１５の出力が最低となる条件である場合には、下検出器の出力に基づいて、レンズ条件を制御するようにしても良い。
１　電界放射陰極
２　引出電極
３　１次電子ビーム
４　コンデンサレンズ
５　上走査偏向器
６　下走査偏向器
７　対物絞り
８　対物レンズ
９　ホルダー
１０　試料
１１　加速円筒
１２　２次電子
１３　反射板
１４　３次電子
１５　下検出器
１６　直交電磁界偏向器
１７　偏向された２次電子
１８　上検出器
１９　多段静電レンズ
２０　２次電子
２１　２次電子
２２　エネルギーフィルタ
２３　スリット
２４　エネルギー分光器
２５　出射スリット
２６　上偏向支点
２７　下偏向支点
２８　静電レンズ
２９　静電レンズ切り欠き
３０　上静電走査偏向器
３１　下静電走査偏向器
３２　Ｘ＋電極
３３　Ｘ－電極
３４　Ｙ＋電極
３５　Ｙ－電極
３６　全段加速円筒
３７　２次電子
３８　検出器
３９　１次電子偏向器
４０　検出器
４１　検出器
４２　２次電子
４３　２次電子
４４　２次電子
４５　多段加速円筒
４６　２次電子
４７　２次電子
４８　２次電子
４９　２次電子
５１　陰極電圧
５２　引出電圧
５３　減速電圧
５４　加速円筒電圧
５５　多段静電レンズ電圧
５６　エネルギーフィルタ電圧
５７　内側セクタ電圧
５８　外側セクタ電圧
５９　Ｘ＋電極電圧
６０　Ｘ－電極電圧
６１　Ｙ＋電極電圧
６２　Ｙ－電極電圧
６３　静電偏向オフセット電圧
６４　全段加速円筒電圧
１０１　走査型電子顕微鏡

Claims (20)

  1. 　荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを集束する対物レンズと、当該対物レンズと前記荷電粒子源との間に配置される検出器と、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より離軸するように偏向する偏向器と、当該偏向器と前記対物レンズとの間に配置され、前記偏向器の偏向点に向かって、前記試料から放出された荷電粒子を集束する複数の静電レンズを形成する複数の電極を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記複数の電極は、負電圧が印加される電極と接地電位の電極が交互に配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  3. 　請求項１において、
    　前記偏向器によって偏向される荷電粒子をエネルギー分離するエネルギーフィルタを備えてい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、
    　前記偏向器によって偏向される荷電粒子の内、特定の方向に偏向された荷電粒子を選択的に通過させるスリットを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
  5. 　請求項１において、
    　前記偏向器によって偏向される荷電粒子をエネルギー分光するエネルギー分光器を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 　請求項１において、
    　前記複数の電極は、正電圧が印加される電極と接地電位の電極が交互に配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  7. 　請求項６において、
    　前記偏向点と前記複数の電極との間に、前記荷電粒子ビームの通過開口を有する通過開口形成部材を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
  8. 　請求項７において、
    　前記複数の電極の内、前記通過開口形成部材に最も近い電極には、正の電圧が印加されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  9. 　請求項１において、
    　前記荷電粒子ビームを試料上で走査するための２段の偏向器を備え、当該２段の偏向器と、前記複数の電極の内、接地電位の電極との高さが一致していることを特徴とする荷電粒子線装置。
  10. 　請求項９において、
    　前記走査偏向器は、磁界型偏向器、或いは静電型偏向器であることを特徴とする荷電粒子線装置。
  11. 　請求項１において、
    　前記電極は筒状であって、その一部に切り込みがあることを特徴とする荷電粒子線装置。
  12. 　請求項１において、
    　前記複数の静電レンズを形成する電極は、少なくとも４つの電極を備えていることを特徴とする荷電粒子線装置。
  13. 　請求項１２において、
    　前記４つの電極の内、２つは接地電位であり、当該接地電位の電極を挟むように、電圧が印加される２つの電極が配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  14. 　請求項１３において、
    　前記荷電粒子ビームを走査するための上下２段の偏向器からなる走査偏向器を備え、当該２段の偏向器のそれぞれと同じ高さ位置に、前記接地電位の電極が配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  15. 　請求項１３において、
    　前記２つの接地電位の電極の間に、電圧が印加される電極が配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  16. 　請求項１において、
    　前記検出器によって検出された検出信号に基づいて、前記複数の静電レンズのレンズ条件を求める演算装置を備え、当該演算装置は、前記荷電粒子線装置内に存在する構造物の投影像を評価し、当該投影像が所定の条件を満たす前記レンズ条件を選択することを特徴とする荷電粒子線装置。
  17. 　荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを集束する対物レンズと、当該対物レンズと前記荷電粒子源との間に配置される検出器と、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より離軸するように偏向する偏向器と、当該偏向器によって偏向された荷電粒子をエネルギー分光するエネルギー分光器と、当該エネルギー分光器と前記試料、或いは当該試料を搭載する試料ステージに負の電圧を印加する負電圧印加電源を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
  18. 　請求項１７において、
    　前記エネルギー分光器は、前記偏向器によって偏向された荷電粒子の軌道を、その間に形成される電界によって分離させる内側電極と外側電極を備え、当該内側電極と内側電極のそれぞれに、正の電圧と負の電圧を印加するエネルギー分光器用電源を備え、当該エネルギー分光器用電源は、前記負電圧印加電源によってフローティングされていることを特徴とする荷電粒子線装置。
  19. 　請求項１８において、
    　前記偏向器の偏向支点と、前記エネルギー分光器との間に、少なくとも２枚の電極が配置され、当該２枚の電極の内、前記偏向支点側に位置する電極には、正の電圧が印加され、前記２枚の電極の内、前記エネルギー分光器側に位置する電極には、前記負電圧印加電源から印加される負電圧と正電圧が重畳して印加されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  20. 　荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを集束する第１のレンズと、試料に照射される荷電粒子ビームを集束する対物レンズと、当該対物レンズと前記第１のレンズとの間に配置される検出器と、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より離軸するように偏向する偏向器と、前記第１のレンズの前記荷電粒子ビームの通過開口から、前記対物レンズの前記荷電粒子ビームの通過開口に至る前記荷電粒子ビームの通過軌道を包囲するように形成されると共に、正の電圧が印加される加速筒を備え、当該加速筒は、前記荷電粒子ビームの光軸方向に分割されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
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