WO2020008492A1 - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

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悠介 安部
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Definitions

  • the present invention relates to a scanning electron microscope for performing inspection and measurement using an electron beam.
  • a scanning electron microscope used for observation, inspection, and measurement of a sample using an electron beam accelerates electrons emitted from an electron source and converges on the sample surface with an electrostatic lens or an electromagnetic lens And irradiate. This is called a primary electron.
  • Signal electrons (here, low-energy signal electrons are referred to as secondary electrons and high-energy signal electrons are referred to as reflected electrons) are emitted from the sample by the incidence of the primary electrons.
  • a scanned image of a fine pattern on the sample can be obtained.
  • an absorption current image can be formed by detecting electrons absorbed by the sample.
  • Patent Document 1 discloses a method of controlling the detection efficiency by applying a voltage to a secondary electron detector.
  • ⁇ Speed is one of the important performances when using SEM for inspection and measurement.
  • a method using an electromagnetic lens and a method using an electrostatic electrode as a method of performing focus correction, and a method using an electrostatic electrode is suitable for speeding up.
  • Patent Document 2 discloses that an electrostatic electrode is provided in an objective lens in order to perform focus correction using the electrostatic electrode.
  • a scanning electron microscope includes an electron optical system including an electron source that emits an electron beam and an objective lens, a sample stage that is arranged on a stage and mounts a sample, an objective lens and a sample.
  • a backscattered electron detector that is arranged between the table and the backscattered electron detector that detects backscattered electrons emitted by the interaction between the electron beam and the sample, and that is provided corresponding to the backscattered electron detector and applies a voltage to the backscattered electron detector
  • the focus of the electron beam is corrected by controlling the voltage.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a magnetic flux density distribution of an objective lens and a position of a backscattered electron detector. It is a figure showing the example of the trajectory of a backscattered electron. It is a figure which shows the example of a trajectory of a secondary electron.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a trajectory in which secondary electrons are returned to a sample. It is a figure which shows the example of a trajectory of a secondary electron.
  • 1 is an overall schematic diagram of a scanning electron microscope.
  • An electron beam (primary electrons 116) emitted from the electron source 100 is accelerated by the electron gun 101, passes through the first condenser lens 103 and the second condenser lens 105, and is held on the sample stage 1025 on the stage 115 by the objective lens 113.
  • An image is formed on the sample 114 that has been irradiated, and the sample 114 is irradiated.
  • a positive voltage can be applied to the magnetic path 1030 above the objective lens from the booster voltage controller 141 and a negative voltage can be applied to the sample 114 from the voltage controller 144 for the sample stage.
  • the system can be configured.
  • the electron optical system in the present embodiment is not used as a reduction optical system.
  • the opening formed by the upper magnetic path 1030 and the lower magnetic path 1031 of the objective lens 113 faces the stage 115 side, and has a lens structure called a semi-in-lens type. Thereby, an electron beam with high resolution can be formed.
  • the objective lens control unit 142 controls the exciting current flowing through the objective lens coil 112.
  • the low-energy secondary electrons 117 emitted from the sample 114 are wound up by the objective lens magnetic field and detected by the secondary electron detector 121 upstream of the objective lens.
  • the secondary electrons 117 are deflected by the ExB element 1028 upstream of the objective lens, pass through the mesh electrode 1021, and reach the secondary electron detector 121.
  • the ExB element 1028 is an electron optical element that can generate an electric field and a magnetic field orthogonally. Since the secondary electron detector 121 attracts the secondary electrons 117 at a positive voltage, the mesh electrode 1021 plays a role of blocking the leakage electric field.
  • high-energy backscattered electrons 1017 are detected by a backscattered electron detector 1023 between the objective lens magnetic paths 1030 and 1031 and the sample stage 1025.
  • the backscattered electron detector 1023 has a tapered hole formed toward the sample stage 1025, and detects the backscattered electrons 1017 on the tapered surface (the inner wall of the hole) and the lower surface.
  • the backscattered electron detection system control unit 138 controls the voltage applied to the backscattered electron detector 1023, amplifies the signal detected by the detector, and sends the amplified signal to the device control arithmetic unit 146.
  • the primary electrons 116 are two-dimensionally scanned on the sample by the first scanning deflector 106 and the second scanning deflector 108, and as a result, a two-dimensional image of the sample can be obtained.
  • two-dimensional scanning is performed by moving a horizontal line scan at a start position in a vertical direction.
  • the center position of the two-dimensional image is defined by the first scanning deflector 106 controlled by the first scanning deflector controller 137 and the second scanning deflector 108 controlled by the second scanning deflector controller 139.
  • Both the first scanning deflector 106 and the second scanning deflector 108 are electrostatic deflectors.
  • the two-dimensional image is formed by the device control arithmetic device 146 and displayed on the display device 147.
  • the electron gun 101 is controlled by the electron gun controller 131, the first condenser lens 103 is controlled by the first condenser lens controller 133, and the second condenser lens 105 is controlled by the second condenser lens controller 135.
  • a first aligner 102 for controlling the beam axis of the primary electrons 116 is disposed downstream of the electron gun 101, and is controlled by a first aligner control unit 132.
  • the device control arithmetic unit 146 that controls the entire device integrally controls the control units of the electron optical system and the detection system based on the control data and the like stored in the storage device 145.
  • the detection signals detected by the two detectors 121 and 1023 are used by being stored in the storage device 145 or displayed on the display device 147.
  • the opening formed by the magnetic path is relatively directed toward the sample stage, and the peak of the lens magnetic field is lower than the lowermost surface of the magnetic path.
  • the focal length can be shortened to the distance between the objective lens and the sample.
  • an important observation target of a high acceleration SEM is inspection and measurement of a three-dimensional structure such as a deep groove or a deep hole. This is because it is difficult for a low energy secondary electron to escape a deep groove or a deep hole, whereas a high energy reflected electron can escape a deep groove or a deep hole from a groove bottom or a hole bottom. Therefore, in order to detect the backscattered electrons, the backscattered electron detector 1023 is provided just above the sample. Therefore, it is necessary to apply a correction voltage to the backscattered electron detector 1023 installed between the magnetic path of the semi-in-lens type objective lens and the sample stage to perform focus correction. This is effective in achieving both resolution and resolution.
  • the backscattered electron detector 1023 sets the magnetic flux density (magnetic field) of the objective lens 113 as shown in FIG. It is desirable to be arranged in the vicinity 200 of the position where the maximum value is obtained in order to obtain high correction sensitivity. Therefore, it is more effective to dispose the backscattered electron detector 1023 at a position closer to the lower surface of the magnetic path than the sample surface.
  • an Einzel lens is used as an electrostatic lens for focus correction, and electrodes on both sides thereof are set to the ground potential. For this reason, the electrostatic lens field is limited, and its focus correction effect is suppressed. In order to lower the correction voltage, it is necessary to improve the effect of the correction voltage as much as possible.
  • the upper magnetic path 1030 of the objective lens 113, the backscattered electron detector 1023, and the sample 114 are connected to the electrostatic electrode. By applying the correction voltage to the backscattered electron detector 1023, efficient electrostatic focus correction can be performed.
  • the electron optical system of this embodiment is not a reduction optical system, generally, the upper magnetic path 1030 of the objective lens 113 is set to a reference potential, and the potential of the sample 114 is set to a reference potential to a slightly negative potential.
  • the focus can be effectively corrected by the correction voltage applied to the backscattered electron detector 1023.
  • an electrostatic lens is formed by a booster voltage or a sample stage voltage so as to be superimposed on a magnetic field lens formed by the objective lens 113.
  • the backscattered electron detector 1023 is further provided with an electrostatic focus correction function, a side effect of greatly disturbing the potential distribution of the superimposed electrostatic lens occurs.
  • this configuration can be said to be a configuration suitable for an electron optical system to which a deceleration optical system such as a high acceleration SEM is not applied.
  • a positioning error between the backscattered electron detector 1023 and the objective lens 113 is an error between the central axes of the two and an error in the parallelism. If only the backscattered electrons 1017 are detected, there is no problem with a slight displacement or inclination.
  • the device is operated as an optical element by applying a correction voltage, it is necessary to reduce these mechanical errors. .
  • the mechanical error may cause a field deviation or a change in an incident angle when performing focus correction, and may further cause astigmatism.
  • a support 1024 is provided between the objective lens 113 and the sample stage 1025 so that the position and tilt of the backscattered electron detector 1023 can be adjusted.
  • the deflectors (106, 108) and the astigmatism corrector 1034 are operated in conjunction with the electrostatic correction, thereby affecting the correction. It is desirable to cancel out.
  • the correction of the field deviation or the incident angle by the two-stage deflector and the correction of astigmatism by the astigmatism corrector are well-known techniques, and a detailed description thereof will be omitted.
  • the interlocking operation with the focus correction may be performed in parallel with the focus correction or may be performed sequentially.
  • the sensitivity of the backscattered electron detector 1023 may change.
  • the backscattered electrons 1017 are directly input to the backscattered electron detector 1023.
  • a scintillator is used for the backscattered electron detector 1023, and detection is performed by converting electrons into light. Since the scintillator determines the emission intensity in proportion to the energy of the incident electrons, for example, when a 1 kV voltage is applied to the backscattered electron detector 1023, the 10 kV reflected electrons generated in the sample 114 are detected as 11 kV reflected electrons, and the emission intensity is determined. Increases by about 10%.
  • the change in the light emission intensity is a change in the brightness of the SEM image formed based on the detected backscattered electrons. That is, the brightness of the SEM image changes in accordance with the focus correction, which may cause a decrease in the accuracy of the inspection measurement.
  • a photomultiplier or a silicon photomultiplier is used as the backscattered electron detector.
  • a change in the brightness of the SEM image is suppressed to the extent that the accuracy of the inspection measurement is not reduced.
  • the control range of the correction voltage is limited based on the acceleration voltage of the primary electrons 116.
  • the control range of the correction voltage is set to 300 V or less for the primary electrons having an acceleration voltage of 30 kV to suppress the brightness fluctuation of the SEM image.
  • the signal amplification rate in the backscattered electron detection system control unit 138 is changed. Specifically, by controlling the signal amplification factor according to the correction voltage, it is possible to suppress the influence of focus correction from the SEM image.
  • FIG. 4 is a diagram showing the trajectory of the secondary electrons 117. Secondary electrons 117 pass through the objective lens 113 and are detected upstream.
  • the backscattered electron detector 1023 may become an obstacle, and the number of secondary electrons 117 reaching the secondary electron detector 121 may decrease.
  • the shape of the hole of the backscattered electron detector 1023 was tapered so that the inner diameter increased toward the sample stage.
  • This hole is provided for passing primary electrons and secondary electrons.
  • the secondary electrons 117 from the sample 114 are once spread off-axis and emitted, but are converged on the axis by the magnetic field formed by the objective lens 113 and pass through the objective lens 113.
  • the secondary electrons 117 collide with the backscattered electron detector 1023 before converging on the axis, and are returned to the sample side. Can be suppressed.
  • the intensity of the magnetic field of the objective lens 113 is relatively small in a place close to the sample. Therefore, the taper shape does not significantly lower the sensitivity of electrostatic correction. Thus, by making the hole of the backscattered electron detector 1023 tapered, the influence on the secondary electron detection can be reduced without significantly impairing the performance as the electrostatic corrector.
  • FIG. 5 shows an example of the trajectory of the secondary electrons 117 when a large negative voltage is applied to the backscattered electron detector 1023 as a correction voltage.
  • many secondary electrons are drawn back onto the sample by the negative voltage of the backscattered electron detector 1023, and cannot escape above the backscattered electron detector 1023.
  • the detection rate of the secondary electrons 117 is greatly reduced. Therefore, a voltage that is positive with respect to the voltage applied to the sample stage 1025 is applied to the backscattered electron detector 1023 as a correction voltage so that the secondary electrons 117 do not hinder the passage of the backscattered electron detector 1023. I do.
  • the focus correction moves the focus position downstream (in a direction from the electron source toward the sample).
  • electrostatic focus correction is used only to increase the focal length. Therefore, the coarse adjustment of the focal position of the electromagnetic lens is performed in a state where a predetermined positive offset voltage is applied to the backscattered electron detector 1023. This makes it possible to adjust the focal position both upstream and downstream while keeping the correction voltage positive.
  • FIG. 6 shows an example of the trajectory of the secondary electrons 117 when a positive voltage is applied to the backscattered electron detector 1023 as a correction voltage.
  • a positive voltage is applied to the backscattered electron detector 1023, the secondary electrons 117 are accelerated, so that a trajectory in which the lens effect of the objective lens 113 is reduced as compared with FIG. This orbital change may change the secondary electron detection efficiency.
  • FIG. 7 shows an overall schematic view of an SEM corresponding to this problem.
  • the same components as those of the SEM shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and overlapping description will be omitted.
  • a cylindrical secondary electron control electrode 1027 is provided upstream (on the electron source side) of the objective lens 113 to control the secondary electrons 7117. Control the trajectory.
  • the secondary electron control electrode control unit 2023 applies a voltage interlocked with the correction voltage applied to the backscattered electron detector 1023 to the secondary electron control electrode 1027 to stabilize the secondary electron detection rate regardless of the focus correction operation. Can be changed.
  • a disk-shaped secondary electron reflective electrode 1026 having a passage hole for the primary electrons 116 is provided upstream of the mesh electrode 1021.
  • a voltage lower than the voltage applied to the sample stage 1025 by the secondary electron reflection electrode control unit 2020 is applied to the secondary electron reflection electrode 1026.
  • the voltage applied to the secondary electron reflection electrode 1026 is also a negative voltage.
  • the secondary electrons can be stably guided to the mesh electrode 1021 even with a slight change in the trajectory of the secondary electrons, the secondary electron detection efficiency with respect to the focus correction is stabilized.
  • any of the above-described configurations for suppressing the fluctuation of the secondary electron detection efficiency may be used, or both may be used as shown in FIG.
  • the present invention has been described based on the embodiments. Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications. For example, the embodiments have been described in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the described configurations. Further, a part of the configuration of one example can be replaced with the configuration of another example, and the configuration of another example can be added to the configuration of one example. Further, for a part of the configuration of each example, it is possible to add, delete, or replace another configuration.

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Abstract

エネルギーの高い電子ビームを使用する走査電子顕微鏡においても、高速な焦点補正が可能とする。電子ビーム１１６を放出する電子源１００と対物レンズ１１３とを含む電子光学系と、ステージ１１５上に配置され、試料１１４を載置する試料台１０２５と、対物レンズと試料台との間に配置され、電子ビームと試料との相互作用により放出される反射電子１０１７を検出する反射電子検出器１０２３と、反射電子検出器に対応して設けられ、反射電子検出器に電圧を印加する反射電子検出系制御部１３８と、装置制御演算装置１４６とを有し、対物レンズは、ステージ方向に開口を有し、装置制御演算装置は、反射電子検出系制御部から反射電子検出器に印加する電圧を制御することにより、電子ビームの焦点補正を行う。

Description

走査電子顕微鏡
　本発明は、電子ビームを用いて検査・計測を行う走査電子顕微鏡に関する。
　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：Scanning Electron Microscope）は、電子源から放出された電子を加速し、静電レンズや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次電子と呼んでいる。１次電子の入射によって試料からは信号電子（ここでは低エネルギーの信号電子を２次電子、高エネルギーの信号電子を反射電子と分けて呼ぶ）が放出される。電子ビームを偏向して走査しながら試料から放出される２次電子を検出することで、試料上の微細パターンの走査画像を得ることができる。また、試料に吸収される電子を検出することで吸収電流像を形成することも可能である。２次電子の検出に関し、特許文献１に２次電子検出器に電圧を加えることで検出効率を制御する方法が開示されている。
　ＳＥＭを検査や計測に用いる際の重要な性能の１つに高速化が上げられる。高速化にはステージ移動の高速化やプローブ電流の大電流化などの他に、焦点補正の高速化も必要となる。焦点補正を行う方法として電磁レンズを用いる方法と静電電極を用いる方法とがあるが、静電電極を用いる方法が高速化には適している。特許文献２には静電電極により焦点補正を行うため、対物レンズ内に静電電極を設けることが開示されている。
特開平５－１７４７６８号公報 特開２００７－９５５７６号公報
　深溝や深穴のような立体構造の検査計測を行うためには、高加速の電子線が必要となる。エネルギーの高い電子線を静電により焦点補正を行うためには、高い補正電圧が必要となる。このため、焦点補正の制御効率を高める必要がある。また、焦点補正を行うことによって、信号電子の検出効率が変化するといった副作用は極力抑制される必要がある。
　本発明の一実施態様である走査電子顕微鏡は、電子ビームを放出する電子源と対物レンズとを含む電子光学系と、ステージ上に配置され、試料を載置する試料台と、対物レンズと試料台との間に配置され、電子ビームと試料との相互作用により放出される反射電子を検出する反射電子検出器と、反射電子検出器に対応して設けられ、反射電子検出器に電圧を印加する反射電子検出系制御部と、装置制御演算装置とを有し、対物レンズは、ステージ方向に開口を有し、装置制御演算装置は、反射電子検出系制御部から反射電子検出器に印加する電圧を制御することにより、電子ビームの焦点補正を行う。
　エネルギーの高い電子ビームを使用する走査電子顕微鏡においても、高速な焦点補正が可能とする。
　その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
走査電子顕微鏡の全体概略図である。 対物レンズの磁束密度分布と反射電子検出器の位置との関係を示す図である。 反射電子の軌道例を示す図である。 ２次電子の軌道例を示す図である。 ２次電子が試料に戻される軌道例を示す図である。 ２次電子の軌道例を示す図である。 走査電子顕微鏡の全体概略図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ここでは走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を例にとって説明するが、本発明はＳＥＭ以外の電子ビーム装置にも適用可能である。
　図１に示すＳＥＭの全体概略図を用いて説明する。電子源１００から放出された電子ビーム（１次電子１１６）は電子銃１０１により加速され、第１コンデンサレンズ１０３、第２コンデンサレンズ１０５を通り、対物レンズ１１３によりステージ１１５上の試料台１０２５に保持された試料１１４上に結像して、照射される。対物レンズ上磁路１０３０にはブースター電圧制御部１４１から正電圧が、試料１１４には試料台電圧制御部１４４から負電圧が印加可能に構成されており、静電レンズを形成し、いわゆる減速光学系を構成可能とされている。ただし、本実施の態様における電子光学系は、減速光学系としては使用しない。また、対物レンズ１１３の上磁路１０３０と下磁路１０３１からなる開口は、ステージ１１５側に向いており、セミインレンズ型と呼ばれるレンズ構造となっている。これにより分解能の高い電子ビームを形成することが出来る。対物レンズ制御部１４２は、対物レンズコイル１１２に流れる励磁電流を制御する。
　試料１１４から放出される低エネルギーの２次電子１１７は対物レンズ磁場により上方に巻き上げられて対物レンズ上流にある２次電子検出器１２１により検出される。２次電子１１７は対物レンズ上流でＥｘＢ素子１０２８による偏向作用を受け、メッシュ電極１０２１を通過して２次電子検出器１２１に到達する。ＥｘＢ素子１０２８は電場と磁場とを直交して発生させることの出来る電子光学素子である。２次電子検出器１２１は正電圧で２次電子１１７を吸引するため、メッシュ電極１０２１はその漏洩電場を遮断する役割を果たしている。一方、高エネルギーの反射電子１０１７は対物レンズ磁路１０３０，１０３１と試料台１０２５との間にある反射電子検出器１０２３により検出される。反射電子検出器１０２３は試料台１０２５に向かってテーパ形状の孔が形成されており、そのテーパ面（孔の内壁）及び下面にて反射電子１０１７を検出している。反射電子検出系制御部１３８は、反射電子検出器１０２３に印加する電圧を制御するとともに、検出器で検出された信号を増幅して装置制御演算装置１４６に送る。
　１次電子１１６は、第１走査偏向器１０６と第２走査偏向器１０８により試料上を２次元に走査され、結果として試料の２次元画像を得ることが出来る。２次元走査は一般的に横方向のライン走査を縦方向に開始位置を移動しながら行われる。この２次元画像の中心位置は、第１走査偏向器制御部１３７によって制御される第１走査偏向器１０６と第２走査偏向器制御部１３９によって制御される第２走査偏向器１０８により規定される。第１走査偏向器１０６及び第２走査偏向器１０８はいずれも静電偏向器である。２次元画像は装置制御演算装置１４６により形成され、表示装置１４７に表示される。なお、電子銃１０１は電子銃制御部１３１により、第１コンデンサレンズ１０３は第１コンデンサレンズ制御部１３３により、第２コンデンサレンズ１０５は第２コンデンサレンズ制御部１３５により、それぞれ制御される。電子銃１０１の後段には１次電子１１６のビーム軸を制御するための第１アライナー１０２が配置され、第１アライナー制御部１３２によって制御される。また、装置全体を制御する装置制御演算装置１４６は、記憶装置１４５に記憶された制御データ等に基づいて電子光学系、検出系の制御部を統一的に制御する。２つの検出器１２１，１０２３によって検出される検出信号は、記憶装置１４５に記憶されたり、表示装置１４７に表示されたりして利用される。
　電子顕微鏡で高い分解能を得るためには対物レンズの焦点距離を短くすることが有効である。本実施例の対物レンズは磁路で形成される開口が相対的に試料台の方向に向いており、レンズ磁場のピークは磁路最下面より下になる。このことで対物レンズと試料の距離以下に焦点距離を短くすることが出来る。静電電極を用いて低電圧で焦点補正を行うためにはレンズ磁場の強度の高い場所に静電電極を配置することが望ましい。従って、本実施例のようなセミインレンズ型の対物レンズにおいて焦点補正を行う場合には、対物レンズ１１３の磁路の下に静電補正電極を設けることが適切である。一方、高加速ＳＥＭの重要な観察ターゲットは深溝や深穴と言った立体構造の検査計測にある。低エネルギーの２次電子では深溝や深穴を脱出することが難しいのに対し、高エネルギーの反射電子であれば溝底や穴底から深溝や深穴を脱出することができるためである。このため、反射電子を検出するために、試料直上に反射電子検出器１０２３が設置される。そこで、セミインレンズ型対物レンズの磁路と試料台との間に設置される反射電子検出器１０２３に補正電圧を印加して焦点補正を行うことが、高加速ＳＥＭにおいて高速な焦点合わせと高分解能とを両立する上で有効である。また、先に述べたように、補正電極はレンズ磁場のピークに置かれることが最も効果的であるところから、図２に示すように反射電子検出器１０２３が対物レンズ１１３の磁束密度（磁場）の最大値となる位置近傍２００に配置されることが高い補正感度を得るために望ましい。従って、反射電子検出器１０２３の配置される位置を試料面よりも磁路下面に近い位置に設置することがより有効である。
　特許文献２では焦点補正のための静電レンズとしてアインツエルレンズが用いられ、その両側の電極はアース電位に設定されている。このため、静電レンズ場が制限され、その焦点補正効果が抑制されている。補正電圧を低くするには、補正電圧の効果を出来るだけ向上させることが必要であり、本実施例のように対物レンズ１１３の上磁路１０３０、反射電子検出器１０２３及び試料１１４を静電電極とし、補正電圧を反射電子検出器１０２３に印加することで効率の良い静電焦点補正を可能としている。本実施例の電子光学系は減速光学系ではないため、一般的には、対物レンズ１１３の上磁路１０３０は基準電位、試料１１４の電位は基準電位～僅かに負の電位とされているため、反射電子検出器１０２３に印加される補正電圧により効果的に焦点補正が行える。
　なお、低加速ＳＥＭでよく使用される減速光学系の場合、対物レンズ１１３の形成する磁場レンズに重畳されるように、ブースター電圧または試料台電圧により静電レンズが形成されている。このため、さらに反射電子検出器１０２３に静電焦点補正機能を担わせると重畳された静電レンズの電位分布を大きく乱してしまう副作用が生じる。このため、本構成は、高加速ＳＥＭのような減速光学系を適用しない電子光学系に適した構成といえる。
　ただし、反射電子検出器と焦点補正のための静電補正電極とを兼用するには、複数の課題がある。その１つは反射電子検出器１０２３と対物レンズ１１３との位置あわせ誤差である。具体的には両者の中心軸の誤差と平行性の誤差である。単に反射電子１０１７を検出するだけであれば、多少の位置ずれや傾斜は問題ないが、補正電圧を印加することにより光学素子として動作させる場合は、これらの機械的な誤差を小さくする必要がある。機械的誤差は、焦点補正を行った際の視野ずれや入射角変化、更には非点収差を生じさせる可能性がある。このため、図１に示すように対物レンズ１１３と試料台１０２５との間に支持体１０２４を設け、反射電子検出器１０２３の位置と傾斜を調整できるようにしている。
　さらに、焦点補正に伴って生じた視野ずれや入射角変化、非点収差を補正するため、静電補正に連動して偏向器（１０６，１０８）と非点補正器１０３４を作動させることで影響を相殺することが望ましい。２段の偏向器による視野ずれまたは入射角の補正、非点補正器による非点収差の補正そのものは公知の技術であり、詳細な説明は省略する。焦点補正との連動動作については、焦点補正と並行して行っても、順番に行ってもかまわない。
　また、別の課題として、反射電子検出器１０２３の感度が変化することがある。図３に示すように反射電子１０１７は反射電子検出器１０２３に直接入力される。例えば、反射電子検出器１０２３にはシンチレータが用いられ、電子を光に変換することにより検出を行っている。シンチレータは入射電子のエネルギーに比例して発光強度が決まるため、例えば反射電子検出器１０２３に１ｋＶ電圧を印加すると、試料１１４で発生した１０ｋＶの反射電子は１１ｋＶの反射電子として検出されて、発光強度は１０％程度増大する。発光強度の変化は検出された反射電子に基づき形成されるＳＥＭ像の明るさ変化となる。すなわち、焦点補正に応じてＳＥＭ像の明るさ変化が生じることになり、検査計測の精度の低下を引き起こすおそれがある。なお、反射電子検出器として、光電子増倍管やシリコン光電子増倍管を用いる場合も同様である。
　第１の方法として、検査計測の精度低下につながらない程度にＳＥＭ像の明るさ変化を抑制する。具体的には、決められた比率以下に明るさ変化を抑えるため、例えば、補正電圧の制御範囲を１次電子１１６の加速電圧に基づき制限する。例えば、１次電子１１６の加速電圧の１０％以下に制限する場合には、加速電圧３０ｋＶの１次電子に対して、補正電圧の制御範囲は３００Ｖ以下として、ＳＥＭ像の明るさ変動を抑制する。
　第２の方法として、反射電子検出系制御部１３８における信号増幅率を変化させる。具体的には、補正電圧に応じて信号増幅率を制御することにより、ＳＥＭ像から焦点補正の影響を抑制することができる。
　さらに別の課題として、２次電子検出器１２１による２次電子検出の効率が変化することが挙げられる。図４は２次電子１１７の軌道を示す図である。２次電子１１７は対物レンズ１１３を通過して上流で検出される。本実施例において、焦点補正のための補正電圧を小さくするには、反射電子検出器１０２３の内径ｄを出来るだけ小さくすることが望ましい。しかし、反射電子検出器１０２３の内径ｄを小さくすることは反射電子検出器１０２３が障害となり、２次電子検出器１２１に到達する２次電子１１７の数が減少する可能性がある。
　このため、反射電子検出器１０２３の孔の形状を、試料台に向かって内径が大きくなるテーパ形状とした。この孔は１次電子及び２次電子を通過させるために設けられている。図４に示されるように、試料１１４からの２次電子１１７は一旦軸外に広がって放出されるが、対物レンズ１１３により形成される磁場により軸上に収束され、対物レンズ１１３を通過する。このように、反射電子検出器１０２３の孔を試料側に向かって広がるテーパ形状とすることにより、２次電子１１７が軸上に収束する前に反射電子検出器１０２３に衝突し、試料側に戻されるのを抑制できる。一方、試料に近い場所は図２に示したように、対物レンズ１１３の磁場の強度は相対的に小さいので、テーパ形状とすることにより静電補正の感度が大きく低下することはない。このように、反射電子検出器１０２３の孔をテーパ形状とすることにより、静電補正器としての性能を大きく損なうことなく、２次電子検出への影響を小さくすることができる。
　２次電子検出器１２１による２次電子検出の効率を変化させる、さらに別の課題を説明する。図５は、反射電子検出器１０２３に補正電圧として大きな負電圧を印加した場合の２次電子１１７の軌道例を示している。この場合、多くの２次電子が反射電子検出器１０２３の負電圧により試料上に引き戻されてしまい、反射電子検出器１０２３の上方に抜けることができない。このために２次電子１１７の検出率が大きく低下してしまう。したがって、２次電子１１７が反射電子検出器１０２３を通過する障害とならないよう、反射電子検出器１０２３には試料台１０２５に印加される電圧に対して正となる電圧を補正電圧として印加することにする。
　補正電圧が正電圧の場合、焦点補正は焦点位置を下流（電子源から試料に向かう方向）に移動させる。言い換えれば、静電での焦点補正は焦点距離を長くすることにのみ用いられることになる。そこで、反射電子検出器１０２３に所定の正電圧のオフセット電圧を印加した状態で、電磁レンズの焦点位置の粗調整を行う。これにより、補正電圧は正電圧としたまま、焦点位置を上流、下流の双方に調整することが可能になる。
　図６は、反射電子検出器１０２３に補正電圧として正電圧を印加した場合の２次電子１１７の軌道例を示している。反射電子検出器１０２３に正電圧を印加する場合、２次電子１１７が加速されることにより、図４と比較して対物レンズ１１３のレンズ効果が小さくなる軌道を描く。この軌道変化が２次電子検出効率を変動させる可能性がある。
　この課題に対応するＳＥＭの全体概略図を図７に示す。図１に示したＳＥＭと同じ構成については同じ符号を付して示し、重複する説明については省略する。図７の構成においては、２次電子検出効率の変動を抑制する一つの構成として、対物レンズ１１３の上流（電子源側）に筒状の２次電子制御電極１０２７を設けて２次電子７１１７の軌道を制御する。２次電子制御電極制御部２０２３は、反射電子検出器１０２３に印加する補正電圧と連動した電圧を２次電子制御電極１０２７に印加することにより、焦点補正動作に係わらず２次電子検出率を安定化させることができる。
　また、２次電子検出効率の変動を抑制する別の構成として、メッシュ電極１０２１の上流に１次電子１１６の通過穴を有する円盤状の２次電子反射電極１０２６を設置する。この２次電子反射電極１０２６には、２次電子反射電極制御部２０２０により試料台１０２５に印加される電圧よりも低い電圧を印加する。この例では試料台１０２５に負電圧を印加しているため、２次電子反射電極１０２６に印加される電圧も負電圧となる。これにより焦点補正による軌道変化によりメッシュ電極１０２１の上方に抜ける２次電子７１１７をメッシュ電極方向に誘導することができる。このように、多少の２次電子の軌道変化に対しても安定してメッシュ電極１０２１に２次電子を誘導することができるために、焦点補正に対する２次電子検出効率が安定化する。なお、以上説明した２次電子検出効率の変動を抑制する構成はそのいずれかを用いてもよく、図７のようにその双方を用いるようにしてもよい。
　以上、本発明を実施例に基づき説明した。なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、実施例は本発明を分かりやすく説明するために説明したものであるから、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある例の構成の一部を他の例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある例の構成に他の例の構成を加えることも可能である。また、各例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１００…電子源、１０１…電子銃、１０２…第１アライナー、１０３…第１コンデンサレンズ、１０５…第２コンデンサレンズ、１０６…第１走査偏向器、１０８…第２走査偏向器、１１３…対物レンズ、１１４…試料、１１５…ステージ、１１６…１次電子、１１７…２次電子、１３１…電子銃制御部、１３２…第１アライナー制御部、１３３…第１コンデンサレンズ制御部、１３５…第２コンデンサレンズ制御部、１３７…第１走査偏向器制御部、１３８…反射電子検出系制御部、１３９…第２走査偏向器制御部、１４１…ブースター電圧制御部、１４２…対物レンズ制御部、１４４…試料台電圧制御部、１４５…記憶装置、１４６…装置制御演算装置、１４７…表示装置、１０１７…反射電子、１０２１…メッシュ電極、１０２３…反射電子検出器、１０２４…支持体、１０２５…試料台、１０２６…２次電子反射電極、１０２７…２次電子制御電極、１０２８…ＥｘＢ素子、１０３０…上磁路、１０３１…下磁路、１０３４…非点補正器、２０２０…２次電子反射電極制御部、２０２１…２次電子検出系制御部、２０２２…メッシュ電極制御部、２０２３…２次電子制御電極制御部、２０２４…非点補正器制御部、２０２５…ＥｘＢ素子制御部、７１１７…２次電子。

Claims (13)

  1. 　電子ビームを放出する電子源と対物レンズとを含む電子光学系と、
    　ステージ上に配置され、試料を載置する試料台と、
    　前記対物レンズと前記試料台との間に配置され、前記電子ビームと前記試料との相互作用により放出される反射電子を検出する反射電子検出器と、
    　前記反射電子検出器に対応して設けられ、前記反射電子検出器に電圧を印加する反射電子検出系制御部と、
    　装置制御演算装置とを有し、
    　前記対物レンズは、前記ステージ方向に開口を有し、
    　前記装置制御演算装置は、前記反射電子検出系制御部から前記反射電子検出器に印加する電圧を制御することにより、前記電子ビームの焦点補正を行う走査電子顕微鏡。
  2. 　請求項１において、
    　前記電子光学系は減速光学系を適用しない走査電子顕微鏡。
  3. 　請求項１において、
    　前記反射電子検出器は、前記反射電子検出器の位置と傾きを調整できる支持体により保持されている走査電子顕微鏡。
  4. 　請求項３において、
    　前記反射電子検出器は、前記対物レンズの磁場のピーク位置を含む高さに設置される走査電子顕微鏡。
  5. 　請求項１において、
    　前記電子光学系が有する偏向器に対応して設けられ、前記電子ビームの偏向を制御する偏向器制御部を有し、
    　前記装置制御演算装置は、前記反射電子検出系制御部から前記反射電子検出器に印加する電圧に連動して前記偏向器制御部を制御することにより、焦点補正に起因する視野ずれまたは前記電子ビームの入射角の補正を行う走査電子顕微鏡。
  6. 　請求項１において、
    　前記電子光学系が有する非点補正器に対応して設けられ、前記電子ビームの非点収差を制御する非点補正器制御部を有し、
    　前記装置制御演算装置は、前記反射電子検出系制御部から前記反射電子検出器に印加する電圧に連動して前記非点補正器制御部を制御することにより、焦点補正に起因する前記電子ビームの非点収差の補正を行う走査電子顕微鏡。
  7. 　請求項１において、
    　前記反射電子検出系制御部から前記反射電子検出器に印加する電圧は、前記電子ビームの加速電圧に基づき制限される走査電子顕微鏡。
  8. 　請求項１において、
    　前記反射電子検出系制御部から前記反射電子検出器に印加する電圧に応じて、前記反射電子検出系制御部は、前記反射電子検出器からの信号の信号増幅率を制御する走査電子顕微鏡。
  9. 　請求項１において、
    　前記対物レンズの上流に、前記電子ビームと前記試料との相互作用により放出される２次電子を検出する２次電子検出器を有し、
    　前記反射電子検出器は前記電子ビーム及び前記２次電子を通過させる孔を有し、前記孔は、前記試料台に向かって内径が大きくなるテーパ形状を有する走査電子顕微鏡。
  10. 　請求項９において、
    　前記反射電子検出系制御部は、前記試料台に印加される電圧に対して正となる電圧を前記反射電子検出器に印加する走査電子顕微鏡。
  11. 　請求項１０において、
    　前記反射電子検出系制御部から前記反射電子検出器に印加する電圧は、正のオフセット電圧を有する走査電子顕微鏡。
  12. 　請求項９において、
    　前記２次電子検出器の漏洩電場を遮断するためのメッシュ電極よりも上流に設けられる２次電子反射電極を有し、
    　前記２次電子反射電極には、前記試料台に印加される電圧よりも低い電圧が印加される走査電子顕微鏡。
  13. 　請求項９において、
    　前記対物レンズの上流に設けられ、前記２次電子の軌道を制御する２次電子制御電極と、
    　前記２次電子制御電極に対応して設けられる２次電子制御電極制御部とを有し、
    　前記装置制御演算装置は、前記反射電子検出系制御部から前記反射電子検出器に印加する電圧に連動して前記２次電子制御電極制御部を制御することにより、前記２次電子検出器の２次電子検出効率の変動を抑制する走査電子顕微鏡。
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