WO2021255886A1

WO2021255886A1 - 荷電粒子線装置

Info

Publication number: WO2021255886A1
Application number: PCT/JP2020/023909
Authority: WO
Inventors: 一雄大津賀; 一史谷内; 慎榊原; 平太君塚; 悠介安部
Original assignee: 株式会社日立ハイテク
Priority date: 2020-06-18
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2021-12-23
Also published as: US20230064202A1; KR20230004703A

Abstract

荷電粒子線装置は、試料（１０８）が載置されるステージ（１２４）と、荷電粒子源（１１３）と、荷電粒子源からの荷電粒子線を試料に集束させる対物レンズ（１２１）とを備える荷電粒子光学系と、対物レンズとステージとの間に配置され、荷電粒子線と試料との相互作用により放出される電子（１０９）を検出する検出器（１２３）とを有し、ステージ、荷電粒子光学系及び検出器は、真空筐体（１１２）内に格納され、検出器は、シンチレータ（１０７）、固体光電子増倍管（１０４）及びシンチレータと固体光電子増倍管との間に設けられるライトガイド（１０６）を備え、シンチレータの受光面の面積は、固体光電子増倍管の受光面の面積よりも大きい。

Description

荷電粒子線装置

　本発明は、荷電粒子線装置に関する。

　デジタルデータを記憶するストレージ分野ではフラッシュメモリの市場規模が拡大している。この背景には、フラッシュメモリが微細化、さらには３次元化により、記憶容量当たりのコスト（ビットコスト）を継続的に低減してきたことにある。３ＤＮＡＮＤフラッシュメモリは、メモリセルを垂直に積層化することによってビットコストを低減しており、現時点の最先端デバイスでは、メモリセルを112層積層するに至っている。

　３ＤＮＡＮＤフラッシュメモリのプロセス工程には、板状の電極膜と絶縁膜とを交互に積層した多層膜に対して、最上層から最下層まで高アスペクト比の穴（メモリホール）を一括して加工し、メモリホールの内壁に電荷を蓄積するための絶縁膜、浮遊ゲート膜を製膜する工程を含む。このような、多層膜に対して高アスペクト比の穴を形成するエッチング工程、あるいはメモリホールの内壁への製膜工程は、難度の高いプロセス工程であるため、インラインにおけるクリティカルディメンジョンの測長、欠陥検査により、プロセス工程の良否を素早くフィードバックし、歩留まりを早期に向上させることが望まれる。

　クリティカルディメンジョンの測長や欠陥検査は、荷電粒子線装置の一つである走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）によって行われる。上述したような高アスペクト比の深穴や深溝の側面や底面の観察には、試料に対して高加速電子線を照射して、深穴や深溝の側面や底面から放出される高エネルギーの後方散乱電子（ＢＳＥ：Back scattered electron、反射電子ともいう）を検出して得るＢＳＥ像が適している。ＢＳＥ検出器を対物レンズと試料との間に配置する場合、対物レンズと試料とが近接して配置されるという空間的制約を受けるため、ＢＳＥ検出器には構造上の制約が生じる。

　特許文献１には、厳しい空間的制約下においても対物レンズと試料との間に配置可能な薄型のＢＳＥ検出器が開示される。ＢＳＥ検出器は、シンチレータ－ＳｉＰＭ（シリコン光電子増倍管）連結対アセンブリにより構成されている。本アセンブリは、シンチレータの後面が、光透過性接着剤によって、ＳｉＰＭの光検知面に直接結合されるものである。ＳｉＰＭとシンチレータとが面同士で直接接触することによって、従来のＥＴ検出器でシンチレータからの光を真空チャンバの外側に配置される光電子増倍管（ＰＭＴ）に転送するために必要であったシンチレータ－光ガイドの結合が不要となる。この結果、シンチレータからの光はＳｉＰＭに効率的に送られる。

　特許文献２は、ＰＥＴ（陽電子放射断層撮影法：Positron Emission Tomography）におけるフォトセンサシステムを開示する。シンチレータブロックにγ線や光子が衝突することにより生じた光をＳｉＰＭのようなフォトセンサで検出する。シンチレータブロックとフォトセンサとはライトガイドにより接続される。ライトガイドは、シンチレータブロックに近い断面がフォトセンサに近い断面よりも大きくされている。

特表２０１３－５４１７９９号公報米国特許出願公開第２０１６／０１７００４５号明細書

　特許文献１に開示されるＢＳＥ検出器は、シンチレータとＳｉＰＭとが直接接触されることにより、シンチレータからの光をＳｉＰＭに効率的に伝搬できる。しかしながら、シンチレータの大きさがＳｉＰＭの大きさに制約されることにより、試料から放出されているにもかかわらず、シンチレータと衝突しないために検出されないＢＳＥの割合が多くなり、検出効率が低下することが予想される。この場合、ＳｉＰＭの受光面を大きくすればシンチレータも大きくできるので、シンチレータの大きさによる検出効率の低下は抑えられると考えられる。

　ところが、ＳｉＰＭの受光面を大きくすることによって、ＳｉＰＭの出力寄生容量が大きくなる（出力寄生容量は受光面積に比例して大きくなる）。このため、ＳｉＰＭからの出力信号を処理する回路の回路ノイズが大きくなる他、荷電粒子線が試料上を高速に走査する場合に、検出器の応答遅延により荷電粒子線の走査速度に追随してＢＳＥを検出することが困難になる。

　このため、荷電粒子線装置に搭載するＢＳＥ検出器では、シンチレータの受光面はできるだけ大きく、一方で、ＳｉＰＭの受光面の大きさは検出回路の応答特性に応じた大きさに抑えることが望ましい。本発明は、高アスペクト比の深穴や深溝の観察に適した、高い検出量子効率を有するＢＳＥ検出器を備えた荷電粒子線装置を実現することを目的とする。

　なお、特許文献２はＰＥＴに用いられるフォトセンサシステムを開示するものであり、使用方法も、大きさも本発明のＢＳＥ検出器とは著しく異なるものではあるが、ライトガイドの形状に類似点を有するために引用するものである。ライトガイドのシンチレータブロックに近い断面がフォトセンサに近い断面よりも大きくされている理由としては、ライトガイドなしの直接接触としてもよいものの、そのような形状のライトガイドを用いることで、フォトセンサの領域や数を削減でき、コスト削減につながることが挙げられている。

　本発明の一実施の形態である荷電粒子線装置は、試料が載置されるステージと、荷電粒子源と、荷電粒子源からの荷電粒子線を試料に集束させる対物レンズとを備える荷電粒子光学系と、対物レンズとステージとの間に配置され、荷電粒子線と試料との相互作用により放出される電子を検出する検出器とを有し、ステージ、荷電粒子光学系及び検出器は、真空筐体内に格納され、検出器は、シンチレータ、固体光電子増倍管及びシンチレータと固体光電子増倍管との間に設けられるライトガイドを備え、シンチレータの受光面の面積は、固体光電子増倍管の受光面の面積よりも大きい。

　高アスペクト比の深穴、深溝の観察に適したＢＳＥ検出器を備える荷電粒子線装置を提供する。

　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。

ＢＳＥ検出器の概略構成図である。図１中のＡ－Ａ’断面からのＢＳＥ検出器の上面図である。図２中のＣ－Ｃ’断面におけるＢＳＥ検出器の縦断面図である。ＢＳＥ検出器の検出特性を示す図である。図２中のＣ－Ｃ’断面におけるＢＳＥ検出器（変形例）の縦断面図である。ＢＳＥ検出器の荷電粒子線装置への搭載方法を説明するための図である。半導体検査装置の概略構成図である。半導体計測装置の概略構成図である。信号伝送回路（比較例１）の回路図である。信号伝送回路（比較例２）の回路図である。信号伝送回路（比較例３）の回路図である。信号伝送回路（実施例）の回路図である。信号伝送回路の回路基板への実装例を示す図である。

　以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。

　図１に、本実施例のＢＳＥ検出器の概略構成図を示す。図１は、ＢＳＥ検出器の中心軸１００を含む平面を切断面とする縦断面図である。ＢＳＥ検出器は、電子線１０２が試料１０８に照射されることにより放出される後方散乱電子（ＢＳＥ）１０９を検出することを目的とし、対物レンズのポールピース１０１と試料１０８との間に配置される。本実施例のＢＳＥ検出器は、シンチレータ１０７、ライトガイド１０６、ＳｉＰＭ（Silicon Photomultiplier、固体光電子増倍管、またはＭＰＰＣ：Multi-Pixel Photon Counter）１０４、回路基板１０３を備えている。シンチレータ１０７にＢＳＥ１０９が衝突することにより、その運動エネルギーが光に変換され、変換された光はライトガイド１０６によりＳｉＰＭ１０４の受光面１０５に伝搬される。ＳｉＰＭ１０４は受光された光を電流信号に変換し、回路基板１０３において電流信号から電圧信号に変換して、配線１１０を通して、変換された電圧信号が検出信号として出力される。

　本実施例のＢＳＥ検出器による信号電子の検出原理は、荷電粒子線装置における２次電子検出に広く使用されているＥＴ（Everhart-Thornley）検出器と同じである。ただし、２次電子検出に用いられるＥＴ検出器では、真空とされる荷電粒子線装置の筐体内にはシンチレータのみが配置され、ライトガイドによって大気中に配置された光電子増倍管（ＰＭＴ：Photomultiplier tube）まで変換された光を伝搬するように構成されている。これに対して、ＳｉＰＭは、形状がコンパクトで、かつ真空中及び磁場中への設置も可能であるところから、本実施例ではＳｉＰＭをシンチレータからの光の検出に用いることにより、光の検出を行うＳｉＰＭを含むＢＳＥ検出器をポールピース１０１と試料１０８との間の真空環境下に配置することを可能にしている。

　図２は、図１に示すＡ－Ａ’断面からのＢＳＥ検出器の上面図を示す。なお、図１は、図２中のＢ－Ｂ’断面における縦断面図に相当する。また、図３に、図２中のＣ－Ｃ’断面における縦断面図を示す。

　図２に示すように、ライトガイド１０６の上面視での形状は円形状であり、その中心に試料に照射する１次電子または試料から放出される２次電子を通過させるための中心孔が設けられている。また、ライトガイド１０６の下面（試料１０８と対向する面）を覆うように、シンチレータ１０７が設けられる。すなわち、ライトガイド１０６の下面がシンチレータ１０７の受光面となる。シンチレータ１０７の受光面（＝ライトガイド１０６の下面）の大きさは、ターゲットとするＢＳＥの検出範囲θ（図１参照、中心軸１００と試料１０８との交点から放出されるＢＳＥ１０９の軌道と中心軸１００とのなす角として定義される）、及びＢＳＥ検出器と試料１０８との距離に基づいて決定される。なお、中心孔の中心は中心軸１００とされている。

　この例に示すＢＳＥ検出器は、４チャネルの検出器であり、４つのＳｉＰＭが設けられている。４つのＳｉＰＭの受光面は、ＳｉＰＭ１０４と接するライトガイド１０６の上面において、中心軸１００を回転軸として回転対称となるように配置されている。ＢＳＥはエネルギーが高く、放出された地点からシンチレータに向かって概ね直進して入射するため、シンチレータの受光面を複数チャネルに分離することにより、チャネルごとに得られた検出信号を合算して試料の組成像を得たり、減算して試料の立体形状を強調した像を得たり、といったより多くの情報を得ることが可能になる。

　このため、ライトガイド１０６は、上面視でそれぞれ１／４の領域に相当する部分ライトガイド１０６ａ～ｄを組み合わせることによって構成されている。部分ライトガイド１０６ａ～ｄに伝搬されたシンチレータ１０７からの光は、それぞれＳｉＰＭ１０４ａ～ｄの受光面１０５ａ～ｄに向けて伝搬される。なお、チャネル数は４に限定されるものではなく、チャネル数に応じたＳｉＰＭを設け、チャネル数に応じて分割された形状を有する部分ライトガイドを組み立てることにより、ライトガイド１０６を構成することができる。

　ライトガイド１０６による光伝搬ロスをできるだけ小さくするよう、ライトガイド１０６は次のような特徴を有している。シンチレータ１０７の受光面は、ＳｉＰＭ１０４の受光面１０５と略平行とされている。ここで、略平行とは製造工程において定められる公差内であれば厳密な平行からのずれは許容されるという意味である。加えて、ライトガイド１０６の厚さを薄く、すなわちＳｉＰＭ１０４の受光面とシンチレータ１０７の受光面との距離を短くすることにより、光路長を短くしてライトガイド１０６で吸収される光量を抑制することができる。また、ライトガイド１０６の上面の形状は、対向するＳｉＰＭ１０４の受光面１０５の形状と等しくされ、ライトガイド１０６の下面とライトガイド１０６の上面とは、傾斜された側面により接続されることによってライトガイド１０６はテーパ形状を有している。ライトガイド１０６がテーパ形状とされることで、シンチレータ１０７からの光はライトガイドの側面で反射しながら、ＳｉＰＭ１０４の受光面１０５に集光されることにより、光伝搬ロスを抑制することができる。ライトガイド１０６の材料としては、合成石英、アクリル（ＰＭＭＡ：Poly Methyl Methacrylate）、ホウケイ酸ガラスなどを用いることができる。

　シンチレータ１０７としては、ライトガイド１０６の下面の形状にあわせた円板状の単結晶シンチレータを用いる、あるいは粉体シンチレータをライトガイド１０６の下面に塗布することで形成することができる。

　図４に本実施例のＢＳＥ検出器の検出特性を示す。横軸はプローブ電流（任意単位）であり、縦軸は検出量子効率（ＤＱＥ：detective quantum efficiency、任意単位）であり、両軸ともに対数スケールである。ＤＱＥは、入力信号の（S/N）²と検出された信号の（S/N）²との比を表すものであり、理想的な検出器の場合のＤＱＥは１となる。波形４００が本実施例のＢＳＥ検出器のＤＱＥであり、波形４０１が対物レンズの下方に配置されるＢＳＥ検出器として広く使われている半導体検出器を用いたＢＳＥ検出器のＤＱＥである。いずれも検出器以外の条件は同じ条件としてシミュレーションを行ったものである。半導体検出器は、半導体検出器に入射した信号電子の運動エネルギーで原子のイオン化を行い、発生したキャリア（電子正孔対）を電気信号として出力する。このため、半導体検出器は、本実施例のＢＳＥ検出器が採用するＥＴ検出器に比べて検出器のゲインが小さい。このため、回路ノイズの影響を受けやすく、特にプローブ電流が小さく、したがって入力信号のS/Nの低い状態での計測においては、検出される信号のS/Nが著しく低下する。これに比べて、本実施例のＢＳＥ検出器では、プローブ電流の大きさにかかわらず、安定した検出特性を得ることができた。

　図５に本実施例のＢＳＥ検出器の変形例を示す。上述したＢＳＥ検出器においては、ライトガイド１０６をチャネルごとの部分ライトガイド１０６ａ～ｄの組み合わせにより構成していたのに対し、本変形例ではライトガイド１０６をチャネルごとのライトガイドを一体に形成する。図５に、変形例における図２中のＣ－Ｃ’断面に相当する縦断面図を示す。このように、ライトガイド１０６はＶ字溝のような溝５０１によってチャネルごとのライトガイドに分離されている点が上述したＢＳＥ検出器とは異なる。

　変形例のＢＳＥ検出器においては、ライトガイド１０６の下面においてライトガイドがチャネルごとに分離されていない。このため、シンチレータ１０７の部分受光面１０７ｄで変換された光が例えばＳｉＰＭ１０４ｃで受光されたり、逆にシンチレータ１０７の部分受光面１０７ｃで変換された光が例えばＳｉＰＭ１０４ｄで受光されたりすることによって、チャネル間のクロストークが生じるおそれがある。しかしながら、チャネルごとに分離されていないライトガイド部分の厚みをできるだけ薄くすることによってクロストークは抑制することができ、かつ、上述の構成の場合に必要であった部分ライトガイド間の相互の位置ずれ抑制を考慮した組み立て工程を不要にできる利点がある。変形例のＢＳＥ検出器においても、チャネル数は任意である。

　図６を用いて、本実施例のＢＳＥ検出器の荷電粒子線装置への搭載方法を説明する。シンチレータ１０７には高エネルギーのＢＳＥが大量に入射されることにより帯電が生じ、検出性能が低下する。このため、シンチレータ１０７の表面に導電材１３２をコーティングする。導電材１３２としては、例えばアルミ蒸着膜やＩＴＯ膜を用いることができる。導電材１３２がシンチレータ１０７の表面にコーティングされることによって、シンチレータ１０７で変換された光がＳｉＰＭ側に反射され、光伝搬効率が上げられる効果もある。

　また、ＢＳＥ検出器は導電性のハウジング１３３に収納されている。ハウジング１３３は、ＢＳＥ検出器の中心孔を含めた外周を覆いつつ、下面（試料側の面）に設けられた開口からシンチレータの受光面を露出させている。ハウジング１３３とシンチレータ１０７の表面に設けられた導電材１３２とが接触されることにより、ハウジング１３３と導電材１３２とは電気的に接続されている。ハウジング１３３の材料としては、非磁性体の金属を用いることができ、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、ステンレスなどを用いることができる。

　シンチレータ１０７の帯電は、導電材１３２、ハウジング１３３を介して電荷が接地電位に放出されることによって解消される。このため、シンチレータ１０７の帯電の解消目的であれば、ハウジング１３３を接地電位に接続するので構わないが、図６の態様では、ハウジング１３３にハウジング電位設定用電源１３４を設け、ハウジング１３３の電位を制御可能としている。これは以下の理由による。

　荷電粒子線装置においては、解像度の高い画像を得るため、電子線１０２のスポット径が試料１０８の表面で最小となるよう制御する必要がある。試料１０８の表面にはミクロな凹凸やグローバルな試料面内高さずれが存在するため、観察視野ごとにフォーカス調整が不可欠である。フォーカス調整は、対物レンズの励磁電流を制御することによって行うことが一般的であるが、時間がかかる。図６の構成では、ハウジング１３３に印加する電位をハウジング電位設定用電源１３４によって制御することによって、発生する静電場によりフォーカス調整を行うことができる。静電場の制御は、磁場の制御よりも高速に行うことができるため、フォーカス調整に要する時間を短縮し、検査・計測のスループットを高める効果がある。

　図７に本実施例のＢＳＥ検出器を搭載した荷電粒子線装置の例として、半導体検査装置の概略構成を示す。ここでは半導体検査装置として、欠陥レビュー機能を有する半導体検査装置の例を説明する。

　半導体検査装置１１１は、真空筐体１１２に内蔵される電子光学系及び検出系を有している。電子光学系は、その主な構成として電子源１１３、２つのコンデンサレンズ１１４ａ，１１４ｂ、絞り１１５、偏向器１２２、セミインレンズ型の対物レンズ１２１を有している。電子源１１３から放出される電子線１０２は２つのコンデンサレンズ１１４ａ，１１４ｂ及び対物レンズ１２１により、ステージ１２４に載置される試料１０８表面に焦点を結ぶように調整され、偏向器１２２を用いて試料上で走査される。

　電子光学系からの電子線１０２が試料１０８に照射されると、電子線と試料との相互作用によって試料１０８から２次電子やＢＳＥが放出される。検出系は、主に２次電子を検出する２次電子検出器１１９、主にＢＳＥを検出するＢＳＥ検出器１２３を備えている。２次電子検出器１１９はＴＴＬ（Through the lens）検出器であり、試料１０８から放出され、対物レンズ１２１の漏洩磁場によって吸い上げられ、そのまま光軸に沿って上方に導かれた２次電子１１７が反射板１１６によって反射された２次電子１１８を検出する。一方、ＢＳＥ検出器１２３は対物レンズ１２１とステージ１２４との間に配置され、試料１０８から放出されるＢＳＥ１０９を直接検出する。本実施例では、ＢＳＥ検出器１２３として上述した構成のＢＳＥ検出器を用いる。

　２次電子検出器１１９からの検出信号は信号増幅器１２０ａにより、ＢＳＥ検出器１２３からの検出信号は信号増幅器１２０ｂによりそれぞれ増幅される。アナログ－デジタル変換回路１２５は、これら２つの信号増幅器１２０からの信号を選択し、信号増幅回路からのアナログ信号をデジタル信号に変換する。制御装置１２６は、電子光学系、検出系の各機構を制御するとともに、アナログ－デジタル変換回路１２５からのデジタル信号が入力され、入力されたデジタル信号及び電子線１０２の照射位置情報に基づき画像を生成する。

　さらに、この例では試料高さセンサ１３６を備え、電子線１０２が照射される試料１０８の高さを検出する。試料高さセンサ１３６は、レーザー光１３７を試料１０８に照射し、反射されたレーザー光の強度により試料の高さを検出する。試料高さセンサ１３６で検出されたレーザー光の強度は、制御装置１２６に入力され、試料１０８の高さが算出される。制御装置１２６は、電子線１０２が試料１０８表面に焦点を結ぶよう、算出された試料１０８の高さに応じて、ＢＳＥ検出器１２３のハウジングの電位を決定し、ハウジング電位設定用電源１３４によってＢＳＥ検出器１２３のハウジングに所定の電圧を印加する。なお、例えばフォーカス位置をずらしながら撮像して最適位置を探索する等の方法により、試料高さセンサ１３６を使用しないフォーカス調整も可能である。

　半導体検査装置１１１による検査は、検査制御装置１２７によって制御されている。また、制御装置１２６が生成した画像は、検査制御装置１２７に入力され、検査制御装置１２７にて画像処理や解析処理が実行される。検査制御装置１２７は、例えば、欠陥解析部１２７Ａ、２Ｄ輪郭算出部１２７Ｂを備える。欠陥解析部１２７Ａは、ＡＤＲ機能あるいはＡＤＣ機能を実行する。ＡＤＲ（Automatic Defect Review）機能とは、検査装置で取得された欠陥情報（座標等）により、自動的に目的の欠陥画像の取得、データ保存を行いデータベース化して、検出した異物、欠陥等の形状、成分等をより詳しく観察、分類、分析する機能である。ＡＤＣ（Automatic Defect Classification）機能とは、画像サーバに格納された欠陥画像を、事前に定められたルールに基づき分類ソフトウエアにより欠陥発生原因ごとにクラス分けし、画像サーバに再格納する機能である。分類された情報は、工場の歩留まり管理システムやホストコンピュータに上げられ、欠陥の発生原因追及や解析に用いられる。また、２Ｄ輪郭算出部１２７Ｂは、試料１０８上に形成されたパターンの２Ｄ輪郭を抽出し、設計レイアウトパターンとの相違を検出し、正しくリソグラフィ工程が実施されているか確認する検査を行う。検査制御装置１２７には表示装置１２８が接続され、検査内容の設定や検査結果を表示するためのＧＵＩが表示される。ＢＳＥ検出器１２３として本実施例のＢＳＥ検出器を用いることにより、検出信号のS/Nを向上でき、半導体検査装置のスループットを向上させることができる。

　図８に本実施例のＢＳＥ検出器を搭載した別の荷電粒子線装置の例として、半導体計測装置の概略構成を示す。なお、図７に示した半導体検査装置と共通の構成要素は同じ符号を用いて表示し、重複する説明は省略する。

　半導体計測装置１２９による検査は、計測制御装置１３０によって制御され、制御装置１２６が生成した画像は、計測制御装置１３０に入力され、計測制御装置１３０にて画像処理や計測処理が実行される。計測制御装置１３０は、例えば、寸法計測部１３０Ａ、パターン間マッチング測定部１３０Ｂを備える。寸法計測部１３０Ａは、試料１０８に形成されたパターンの幅などを計測する。高加速電子線を試料に照射し、本実施例のＢＳＥ検出器により深穴、深溝の底部から発生するＢＳＥを検出することにより、深穴・深溝底部の寸法計測精度向上が期待できる。パターン間マッチング測定部１３０Ｂは、上下層間の位置合わせずれ計測（オーバーレイ計測）を実行する。上層パターンは、２次電子検出器１１９で検出される２次電子像により観測し、下層パターンは、ＢＳＥ検出器１２３で検出されるＢＳＥ像により観察し、２つの像を照合することで上下層の位置合わせずれの有無を検出することができる。計測制御装置１３０には表示装置１２８が接続され、計測内容の設定や計測結果を表示するためのＧＵＩが表示される。この例でも、ＢＳＥ検出器１２３として本実施例のＢＳＥ検出器を用いることにより、検出信号のS/Nを向上でき、半導体計測装置のスループットを向上させることができる。

　本実施例のＢＳＥ検出器は、ＳｉＰＭが真空筐体内に配置されるため、ＳｉＰＭが出力する電流信号を真空筐体外の大気中に配置される信号処理回路（信号増幅回路等）に伝送する必要がある。この長距離伝送による信号の劣化は、最終的にＢＳＥ検出器の検出特性の劣化につながるため、長距離伝送による信号の劣化をできるだけ小さくする必要がある。以下、本実施例におけるＳｉＰＭの検出信号の伝送方法について説明する。

　まず、比較例である信号伝送回路を、図９Ａ～Ｃに示す。なお、以下の説明における回路図では、ＳｉＰＭ１０４はダイオードとして表記する。また、荷電粒子線装置においては筐体内外を接続する配線は気密性を保持するため、真空筐体に取り付けられる真空フランジ１４１に設けられたフィードスルー１４２を介して行う。回路図では、真空環境に設置される回路と大気環境に設置される回路とを明示するため、真空フランジ１４１とフィードスルー１４２とを表示しているが、これらは電気的には信号伝送回路とは絶縁されており、回路としての機能はない。

　比較例、後述する実施例の信号伝送回路において、共通の回路構成は以下の通りである。大気環境に配置されたバイアス電源１４７から、真空環境に配置されたＳｉＰＭ１０４にバイアス電圧が印加される。また、大気環境での接地電位１４４ａと真空環境での接地電位１４４ｂとは、図示していないが互いに接続されており、等電位である。なお、比較例、実施例の信号伝送回路において共通に使用される回路構成要素は同じ符号を用いて表記するものとし、重複する説明は省略する。

　図９Ａに示す比較例１の信号伝送回路は、ＳｉＰＭ１０４からの電流信号１３８をそのまま配線１４０により大気環境中の信号処理回路（ここではアンプ１４６により代表させている）に伝送する。電流信号１３８は配線１４０と接地電位１４４ａとの間に接続された入力抵抗１４５により電圧信号に変換され、アンプ１４６により増幅される。本比較例１では配線１４０の特性インピーダンスと負荷となる入力抵抗１４５のインピーダンスとの不整合により、反射が発生し、検出信号にリンギングが発生し、検出信号の波形正確性が低下する。

　図９Ｂに示す比較例２の信号伝送回路では、同軸配線１４３によりＳｉＰＭ１０４からの電流信号１３８を信号処理回路に伝送する。同軸配線１４３の特性インピーダンスと負荷となる入力抵抗１４５のインピーダンスとを整合させることにより反射の発生を防止でき、検出信号のリンギングの発生をなくすことができる。しかしながら、同軸配線１４３の電気容量の影響を受け、検出信号のなまりが発生することによって、検出信号の応答速度が低下する。

　図９Ｃに示す比較例３の信号伝送回路では、ＳｉＰＭ１０４からの電流信号１３８をトランスインピーダンスアンプ１４８によって電圧信号１３９に変換し、変換された電圧信号１３９を同軸配線１４３により信号処理回路に伝送する。電圧信号１３９を同軸配線１４３で伝送することによって、同軸配線１４３の電気容量の影響を受けなくなり、検出信号の波形正確性と応答速度を、比較例１～２に対して向上させることができる。

　しかしながら、トランスインピーダンスアンプ１４８を用いる比較例３の構成においては、ＢＳＥ検出器の回路基板１０３上にオペアンプ１４９が搭載されることになる。ＢＳＥ検出器が配置されるのは試料近傍であるため、試料からの脱ガスにより元々、ＢＳＥ検出器の近傍は真空度が低下しやすい。比較例３の信号伝送回路では、オペアンプ１４９がジュール熱を発生させることにより、脱ガス量をさらに増加させる方向に作用し、真空度をさらに低下させるおそれがある。

　以上を踏まえ、本実施例の信号伝送回路を図１０に示す。本実施例では、ＳｉＰＭ１０４からの電流信号１３８を電圧信号１３９に変換し、変換した電圧信号１３９を同軸配線１４３により信号処理回路に伝送する。同軸配線１４３の特性インピーダンスと負荷となる入力抵抗１４５のインピーダンスとは整合されている。特に、電流信号１３８から電圧信号１３９への変換を、受動素子であるシャント抵抗１５０のインピーダンスと同軸配線１４３の特性インピーダンスとの並列インピーダンスを用いて行っていることが特徴である。シャント抵抗１５０は、ＳｉＰＭ１０４の出力端子と接地電位１４４ｂとの間に接続されている。受動素子であるシャント抵抗を用いて電流電圧変換を行うことにより、能動素子であるオペアンプによる電流電圧変換を行う場合に比べて、発熱量を大幅に低下させることができ、真空度の低下を抑制することができる。

　図１１に本実施例の信号伝送回路の回路基板への実装例を示す。真空環境に配置される回路基板１０３には、配線と受動素子であるシャント抵抗１５０が配置され、回路基板１０３上の素子からの発熱は最小限に抑制される。また、図１０の回路図では省略したが、回路基板１０３におけるグラウンド配線（接地電位）１４４ｂについても、フィードスルーを介して大気環境に引き出され、上述したように、大気環境での接地電位１４４ａに接続されている。

１００：中心軸、１０１：ポールピース、１０２：電子線、１０３：回路基板、１０４：ＳｉＰＭ、１０５：ＳｉＰＭ受光面、１０６：ライトガイド、１０７：シンチレータ、１０８：試料、１０９：後方散乱電子（ＢＳＥ）、１１０：配線、１１１：半導体検査装置、１１２：真空筐体、１１３：電子源、１１４：コンデンサレンズ、１１５：絞り、１１６：反射板、１１７，１１８：２次電子、１１９：２次電子検出器、１２０：信号増幅器、１２１：対物レンズ、１２２：偏向器、１２３：ＢＳＥ検出器、１２４：ステージ、１２５：アナログ－デジタル変換回路、１２６：制御装置、１２７：検査制御装置、１２７Ａ：欠陥解析部、１２７Ｂ：２Ｄ輪郭算出部、１２８：表示装置、１２９：半導体計測装置、１３０：計測制御装置、１３０Ａ：寸法計測部、１３０Ｂ：パターン間マッチング測定部、１３２：導電材、１３３：ハウジング、１３４：ハウジング電位設定用電源、１３６：試料高さセンサ、１３７：レーザー光、１３８：電流信号、１３９：電圧信号、１４０：配線、１４１：真空フランジ、１４２：フィードスルー、１４３：同軸配線、１４４：接地電位、１４５：入力抵抗、１４６：アンプ、１４７：バイアス電源、１４８：トランスインピーダンスアンプ、１４９：オペアンプ、１５０：シャント抵抗、４００，４０１：波形、５０１：溝。

Claims

　試料が載置されるステージと、
　荷電粒子源と、前記荷電粒子源からの荷電粒子線を前記試料に集束させる対物レンズとを備える荷電粒子光学系と、
　前記対物レンズと前記ステージとの間に配置され、前記荷電粒子線と前記試料との相互作用により放出される電子を検出する検出器とを有し、
　前記ステージ、前記荷電粒子光学系及び前記検出器は、真空筐体内に格納され、
　前記検出器は、シンチレータ、固体光電子増倍管及び前記シンチレータと前記固体光電子増倍管との間に設けられるライトガイドを備え、前記シンチレータの受光面の面積は、前記固体光電子増倍管の受光面の面積よりも大きい荷電粒子線装置。
　請求項１において、
　前記シンチレータの受光面は、前記固体光電子増倍管の受光面に対して略平行に設けられる荷電粒子線装置。
　請求項２において、
　前記ライトガイドは、テーパ形状を有する荷電粒子線装置。
　請求項２において、
　前記検出器は複数の前記固体光電子増倍管を備え、
　前記シンチレータは、中心軸を中心とする円形状を有し、
　複数の前記固体光電子増倍管が接する前記ライトガイドの面において、複数の前記固体光電子増倍管の受光面は、前記中心軸を回転軸として回転対称となるように配置される荷電粒子線装置。
　請求項４において、
　前記ライトガイドは、複数の前記固体光電子増倍管に対応する複数の部分ライトガイドを組み合わせて構成されたライトガイドである荷電粒子線装置。
　請求項４において、
　前記ライトガイドは一体形成され、溝によって、複数の前記固体光電子増倍管に対応するライトガイドに分離されている荷電粒子線装置。
　請求項６において、
　前記溝はＶ字溝である荷電粒子線装置。
　請求項４において、
　前記検出器は、前記荷電粒子光学系からの荷電粒子線を通過させるための中心孔が、前記中心軸を中心として設けられている荷電粒子線装置。
　請求項１において、
　前記検出器の前記シンチレータの受光面を露出させた状態で、前記検出器を収納する導電性ハウジングを有し、
　前記検出器の前記シンチレータの表面には導電材がコーティングされており、
　前記導電性ハウジングと前記導電材とは電気的に接続されている荷電粒子線装置。
　請求項９において、
　前記導電性ハウジングに所定の電圧を印加するハウジング電位設定用電源を有する荷電粒子線装置。
　請求項１０において、
　前記荷電粒子光学系からの荷電粒子線のフォーカス調整を、前記導電性ハウジングに印加する電圧を制御することによって行う荷電粒子線装置。
　請求項１において、
　前記検出器は、第１の抵抗が実装される回路基板を備え、
　前記第１の抵抗の一端は前記前記固体光電子増倍管の出力端子に、他端は第１の接地電位に接続され、
　前記固体光電子増倍管の出力端子は同軸配線の一端に接続され、前記同軸配線の他端は前記真空筐体の外部に引き出される荷電粒子線装置。
　請求項１２において、
　前記同軸配線の他端は信号増幅器及び第２の抵抗の一端に接続され、
　前記第２の抵抗の他端は第２の接地電位に接続され、
　前記第１の接地電位と前記第２の接地電位とは互いに電気的に接続されて等電位とされている荷電粒子線装置。