WO2022009297A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

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WO2022009297A1
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charged particle
particle beam
light
sample
phosphor
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悠介 安部
悠介 中村
俊介 水谷
宗行 福田
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株式会社日立ハイテク
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    • H01J2237/244—Detection characterized by the detecting means
    • H01J2237/24475—Scattered electron detectors

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam device that detects charged particles obtained by irradiating a sample with a charged particle beam.
  • the charged particle beam device that scans the charged particle beam as a probe on the sample surface to obtain an image of the region includes a scanning electron microscope (SEM: Scanning Electron Microscope), a scanning ion microscope (SIM: Scanning Ion Microscope), and the like. Focused ion beam (FIB: Focused Ion Beam) processing equipment and the like.
  • SEM Scanning Electron Microscope
  • SIM Scanning Ion Microscope
  • FIB Focused Ion Beam
  • a sample is irradiated with a charged particle beam as a probe, and electrons generated from the sample are detected while scanning the charged particle beam in a field of view which is an observation region.
  • the signal electron is made to collide with the detector to be converted into an electric signal, and this electric signal is measured by an analog digital (A / D) converter at a predetermined time (sampling time). Then, it is converted into a digital signal, and the aggregated result is plotted on the pixels corresponding to the scanning position of the charged particle beam to generate an image corresponding to the scanning region.
  • a / D analog digital
  • the signal electrons to be detected in the charged particle beam device are roughly classified into secondary electrons (SE: Secondary Electron) and backscattered electrons (BSE: Back Scattered Electron) in which the charged particle beam as a probe is reflected by the sample and emitted. Will be done.
  • the image based on the backscattered electron (BSE) may be an image with abundant unevenness information on the sample surface depending on the irradiation energy of the incident electron and the illumination effect depending on the position of the detector, or the composition information inside the sample is abundant. It may be an image. When it is desired to acquire sample composition information, it is necessary to reduce the unevenness information on the sample surface, and various methods for that purpose have been proposed (for example, Patent Document 1).
  • both inspection measurement and high resolution of the three-dimensional structure can be achieved in a high-acceleration SEM. It will be possible to do.
  • an object of the present invention is to provide a charged particle beam device capable of imparting an energy filter function even to a small BSE detector.
  • the charged particle beam apparatus includes a phosphor that converts charged particles generated by irradiation of a sample with the charged particle beam into light, and a detector that detects light from the phosphor.
  • a light guide element for guiding the light from the phosphor to the detector, a light amount adjuster for adjusting the amount of light received by the detector via the phosphor and the light guide element, and the above. It is characterized by including a control unit that controls a light amount regulator.
  • An example of the user interface screen displayed on the display unit 147 for setting the energy filter is shown.
  • Another example of the user interface screen displayed on the display unit 147 for setting the energy filter is shown.
  • this scanning electron microscope includes an electron gun 100, an aligner 102, a first condenser lens 103, a second condenser lens 105, a first scanning deflector 106, a second scanning deflector 108, and an objective lens. 113, secondary electron detector 121, mesh electrode 1021, ExB element 1028, phosphor 1023, light guide element 1110, light amount adjuster 1111, photomultiplier tube 112, and non-point corrector 1034. And.
  • the scanning electron microscope also includes control units 131, 132, 133, 135, 138, 139, 141, 142, 144, 2021, 2022, 2024, 2025 for controlling the above-mentioned components.
  • These control units are controlled by a computer system 146 (control unit).
  • the computer system 146 is connected to the recording device 145 and the display device 147.
  • the computer system 146 controls each control unit in a unified manner based on the control data and the like stored in the storage device 145.
  • the detection signal detected by the two detectors of the secondary electron detector 121 and the phosphor 1023 is stored in the storage device 145, and the measurement result based on the detection signal is displayed on the display device 147 as a user interface described later. obtain.
  • the electron gun 100 emits an electron beam (primary electron) 116.
  • the electron beam 116 passes through the aligner 102, the astigmatism corrector 1034, the first condenser lens 103, and the second condenser lens 105, and irradiates the sample 114 held by the objective lens 113 on the stage 115 via the sample table 1025. Will be done.
  • the aligner 102 is arranged after the electron gun 100 and adjusts the optical axis of the electron beam 116.
  • the electron beam 116 is given an acceleration voltage of 10 kV or more as an example.
  • the electron gun 100 is controlled by the electron gun control unit 131, the first condenser lens 103 is controlled by the first condenser lens control unit 133, and the second condenser lens 105 is controlled by the second condenser lens control unit 135.
  • the aligner 102 is controlled by the aligner control unit 132.
  • the astigmatism corrector 1034 operates to correct the astigmatism of the electron beam 116 under the control of the astigmatism corrector control unit 1024.
  • a positive voltage is applied to the upper magnetic path 1030 of the objective lens 113 from the booster voltage control unit 141, and a negative voltage is applied to the sample 114 from the sample voltage control unit 144, whereby an electrostatic lens can be formed.
  • the objective lens 113 can be used without applying a voltage to the upper magnetic path 1030.
  • the upper magnetic path 1030 and the lower magnetic path 1031 of the objective lens 113 have openings on the stage 115 side so that the center of the generated magnetic field strength is as close as possible to the sample 114.
  • Such a structure is called a semi-in-lens type.
  • the peak of the magnetic field of the objective lens 113 can be made below the lowermost surface of the magnetic path, the focal length of the objective lens 113 is shortened to be less than the distance between the objective lens 113 and the sample 114, and the resolution is high.
  • An electron beam can be formed.
  • the objective lens control unit 142 controls the exciting current flowing through the coil of the objective lens.
  • the objective lens 113 is a semi-in-lens type in the illustrated example, but the objective lens 113 may be an out-lens type objective lens in which the peak of the lens magnetic field is in the magnetic path opening, or a snorkel type objective lens. ..
  • an objective lens called a semi-in-lens type objective lens or a snorkel type objective lens as compared with an out-lens type objective lens, it becomes easier to set the focal distance below the distance between the objective lens and the sample. ..
  • the primary electron 116 that reaches the sample 114 is scanned two-dimensionally by the first scanning deflector 106 and the second scanning deflector 108, and as a result, a two-dimensional image of the sample 114 is obtained.
  • Two-dimensional scanning is generally performed by performing horizontal line scanning while moving the start position in the vertical direction.
  • the center position of the two-dimensional image is defined by the first scan deflector 106 controlled by the first scan deflector control unit 137 and the second scan deflector 108 controlled by the second scan deflector control unit 139. ..
  • the two-dimensional image is displayed on the display device 147.
  • the low-energy secondary electrons 117 emitted from the sample 114 as a result of irradiation of the primary electrons 116 are guided upward by the objective lens 113 and detected by the secondary electron detector 121 located upstream of the objective lens 113.
  • the secondary electrons 117 are deflected by the ExB element 1028 arranged upstream of the objective lens 113, pass through the mesh electrode 2022, and reach the secondary electron detector 121.
  • the ExB element 1028 is an electron optics element capable of generating an electric field and a magnetic field at right angles, and has a function of separating primary electrons and secondary electrons.
  • the ExB element 1028 is controlled by the ExB element control unit 2025, and the secondary electron detector 121 attracts secondary electrons at a high voltage, so that the leakage electric field is blocked by the mesh electrode 1021.
  • the secondary electron detector 121 and the mesh electrode 1021 are controlled by the secondary electron detector control unit 2021 and the mesh electrode control unit 2022, respectively.
  • the high-energy reflected electrons (backscattered electrons (BSE)) 1017 emitted from the sample 114 are incident on the phosphor 1023, and then pass through the light guide element 1110 and the light amount adjuster 1111 to the photomultiplier tube 1112. It is detected as a reflected electron image by being incident on.
  • the phosphor 1023 is arranged at a position between the objective lens 113 and the sample table 1025.
  • the backscattered electron detection system 1120 is configured by the phosphor 1023, the light guide element 1110, the light amount adjuster 1111, and the photomultiplier tube 1112.
  • a photodiode or silicon photomultiplier can also be used in place of the photomultiplier tube 1112.
  • the phosphor 1023 is located below the objective lens 113 and generates photons when the reflected electrons (BSE) 1017 collide with the fluorescent substance.
  • the light guide element 1110 is a light guide made of synthetic quartz or the like, and guides the light generated by the phosphor 1023 to the photomultiplier tube 1112.
  • the light amount adjuster 1111 has a function of adjusting the amount of light passing through the light guide element 1110.
  • the light amount regulator 1111 can be a filter element whose transmittance changes according to the applied voltage. As will be described later, an energy filter can be realized in the BSE detector by adjusting the transmittance TF of the light amount adjuster 1111.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the phosphor 1023 below the objective lens 113, which is the main part of the scanning electron microscope of the first embodiment.
  • the high-energy backscattered electron (BSE) 1017 collides with the phosphor 1023 between the objective lens 113 (upper magnetic path 1030 and lower magnetic path 1031) and the sample table 1025, and emits photons from the phosphor 1023.
  • the emitted photon (light) is guided by the light guide element 1110, passes through the light amount regulator 1111, and then reaches the photomultiplier tube 1112.
  • the photomultiplier tube 1112 generates an electric signal according to the number of photons that have arrived.
  • the electric signal is detected by the BSE detection system control unit 138.
  • the phosphor 1023 is formed in a reverse taper shape toward the sample table 1025, and is irradiated with electrons on the tapered surface and the lower surface. Photons are generated when the incident electrons collide with the fluorescent substance inside the phosphor 1023.
  • the detection efficiency DQE Detector Quantum Efficiency
  • [nu (G D) indicates the dispersion of the signal multiplication factor of the reflected electron detection system 1120, details can be expressed as equation [2].
  • m indicates the number of emitted photons per signal electron of the phosphor 1023
  • T is a light amount attenuation element (eg, transmittance of the light guide element 1110, quantum efficiency of the photomultiplier tube 1112, etc.).
  • ⁇ ( GPM ) indicates the variance of the signal amplification factor of the photomultiplier tube 1112.
  • the variance ⁇ ( GPM ) is expressed as [Equation 3].
  • ⁇ of [Equation 3] indicates the amplification factor per stage of the photomultiplier tube 1112.
  • the energy possessed by one backscattered electron is hereinafter referred to as BSE energy E BSE.
  • BSE energy E BSE the energy possessed by one backscattered electron.
  • T TL ⁇ TF as the product of the transmittance TL of the light guide element 1110 and the transmittance TF of the light amount regulator 1111. Therefore, [Equation 4] can be rewritten as [Equation 5] below.
  • FIG. 3 shows the result of simulating the effect of the energy filter when the transmittance TF of the light amount regulator 1111 is changed by using the [Equation 5] obtained from the above.
  • the upper graph of FIG. 3 is a graph showing the relationship between the BSE energy E BSE and the detection efficiency DQE for each different transmittance TF.
  • the lower graph of FIG. 3 is a graph showing the relationship between the reciprocal 1 / TF of the transmittance TF and the energy threshold value (keV).
  • m' 20 (/ kV)
  • TL 0.025
  • the transmittance TF is converted into a value that is intuitively easy for the user to understand, for example, an energy threshold value.
  • the lower graph of FIG. 3 is a graph in which the horizontal axis is the reciprocal of TF 1 / TF and the vertical axis is the energy threshold value.
  • the energy threshold can be defined as the value of the energy of the reflected electrons when the detection efficiency of the photomultiplier tube 1112 becomes equal to or less than a predetermined value in relation to the reference value.
  • the graph on the lower side of FIG. 3 can be accurately approximated by a quadratic equation.
  • the relationship between the transmittance TF and the energy threshold value can be discretely stored in the computer system 146 in the form of a table. It is possible to set the transmittance TF from the energy threshold value input from the user interface described later and set the energy filter.
  • FIG. 4 shows an example of a user interface screen displayed on the display unit 147 for setting the energy filter.
  • the energy discrimination condition setting window 1301 for setting the energy filter is displayed on the display device 147.
  • the window 1301 includes an energy threshold setting box 1302 for allowing the user to set the above-mentioned energy threshold. By dragging the bar in the box 1302 using, for example, a mouse, the energy threshold value can be changed to an arbitrary value, whereby the transmittance TF of the light amount regulator 1111 can be changed.
  • the window 1301 also includes a preset selection unit 1303 for absorbing differences in energy thresholds between different devices.
  • a preset selection unit 1303 for example, by selecting "conventional device 1" or the like, it is possible to select the light amount adjustment equivalent to that of the conventional device.
  • the light guide element 1110 and the photomultiplier tube 1112 shown in FIG. 1 may have different transmittance TFs and quantum efficiencies between different devices.
  • the energy threshold value may change, and an unintended change in image quality may occur.
  • the energy threshold value equivalent to that of the "conventional device 1" can be selected in the device.
  • the same detection efficiency DQE can be obtained for the same BSE energy E BSE in relation to the conventional device.
  • the transmittance and quantum efficiency may vary among the multiple devices. Due to the above variation, the energy threshold value changes between a plurality of devices, and an unintended change in image quality occurs between the plurality of devices. According to the preset selection unit 1303, it is possible to suppress a change in image quality when a plurality of charged particle beam devices of the same model are manufactured.
  • FIG. 5 shows another example of the user interface.
  • the screen of this user interface includes an image quality adjustment box 1304 instead of the energy threshold setting box 1302.
  • the image quality adjustment box 1304 is a box for setting any one of a plurality of options for the level of the image quality of the captured image to be captured, such as image quality 1, image quality 2, and so on.
  • the energy threshold value is selected from the user interface, or the preset condition is input from the preset selection unit 1303 (step S10).
  • the transmittance TF that can realize the energy threshold value is determined based on the formula or table stored in the computer system 146 (step S12). Then, the determined transmittance TF is set in the light amount regulator 1111 (step S14).
  • the value of the transmittance TF of the light amount regulator 1111 can be changed, and the energy filter of BSE can be realized.
  • the light amount adjuster 1111 of the present embodiment can use a movable iris diaphragm generally used in an optical microscope or the like as a light receiving area adjusting means.
  • the iris diaphragm is an element that adjusts the amount of light by blocking the light on the outer circumference from the hole by changing the size of the hole through which light passes in an axisymmetric manner with respect to the center of the optical axis. Therefore, only the light at the center of the optical axis passes through, and the light at the outer periphery is blocked.
  • the reflected electron 1017 collides with the center of the phosphor 1023, it can pass through the iris diaphragm, but if it collides with the outer periphery, the iris diaphragm is used. It may not be possible to pass through and the light may be blocked. As a result, whether or not the signal can be detected is determined by the emission angle of the reflected electrons 1017 from the sample 114, which may lead to an unintended change in image quality. For example, in FIG.
  • the above concerns can be further reduced by taking the measures described below for the energy possessed by the primary electron 116. This will be specifically described with reference to FIG.
  • FIG. 7 shows the result of a Monte Carlo simulation of the behavior of the scattered electrons 1016 in the sample 114 when the primary electrons 116 are incident on the sample 114. It is assumed that the acceleration voltage of the primary electron 116 is 5 kV and the sample 114 is silicon (Si).
  • the figure on the left side of FIG. 7 shows the result of incidenting 100 primary electrons 116 on the sample 114, and the figure on the right side shows the result of incidenting 10,000 primary electrons 116.
  • the primary electrons 116 are randomly scattered when they are incident on the sample 114, and the primary electrons accidentally emitted from the surface are observed as reflected electrons 1017.
  • a lightning-like locus can be seen in the scattering in the sample 114 as shown in the figure on the left.
  • the locus where the scattering 1016 is generated can be approximated by a sphere cut by the sample 114. This sphere is called a scattering sphere.
  • the depth from the surface of the sample 114 to the lower part of the scattering sphere is R
  • the radius of the cross section of the scattering sphere on the surface of the sample 114 is rB.
  • RS be the period of the periodic structure in the plane direction of the sample 114 observed by the charged particle beam device.
  • the radius rB is sufficiently larger than the period Rs, the unevenness information on the surface of the sample 114 possessed by the backscattered electrons 1017 and the secondary electrons 117 emitted from the sample 114 is averaged by the scattering of the primary electrons 116 in the sample. It is possible to reduce the above-mentioned concerns. Empirically, if the radius rB is more than twice the period Rs ([Equation 6] below), the above concerns can be fully ignored.
  • the radius r B can be calculated by substituting ⁇ of [Equation 8] and R of [Equation 11] into [Equation 10].
  • the radius R depends on E 0 for the energy of the atomic number Z, the atomic weight A, the density ⁇ (g / cm 3 ), and the primary electron beam 116, and in particular E it is important to be monotonically increasing in E 0> 0 for 0. That is, if the acceleration voltage of the primary electron 116 is sufficiently high, the radius rB of the cross section of the scattering sphere becomes large, and if this radius rB is more than twice larger than the period Rs, the unevenness of the sample due to the illumination effect of the backscattered electrons.
  • the information can be small enough. That is, it was found that it is effective to set the condition of [Equation 6].
  • the unevenness information can be sufficiently reduced by setting the acceleration voltage to 5 kV or more.
  • the fine structure of a semiconductor composed of silicon (Si) is used as the sample 114.
  • the atomic number Z 14
  • the atomic weight A 28.1
  • the density ⁇ 2.33 (g / cm 3 ) of silicon
  • the size R of the microstructure sample in the plane direction is 133 nm.
  • the size of one cycle of a line microstructure sample of a 14 nm process rule semiconductor, which has been started in recent years, is about 40 to 50 nm, and rB is sufficiently larger than this.
  • the irradiation energy of the charged particle beam to be irradiated is 5 keV or more even in a fine structure sample of about 100 nm mainly composed of other general semiconductors.
  • FIGS. 8 and 9 The overall configuration of the scanning electron microscope of the second embodiment is the same as that of the first embodiment (FIG. 1) except for the parts described with reference to FIGS. 8 and 9.
  • FIGS. 8 and 9 the same reference numerals as those in FIGS. 1 to 7 indicate the same parts, so duplicate description will be omitted.
  • the multi-anode photomultiplier tube 1114 is adopted as the photodetection means.
  • the output of the multi-anode photomultiplier tube 1114 is output to the signal processing circuit 1115 via an amplifier and output to the computer system 146.
  • the energy filter is realized in the BSE detector by changing the transmittance TF of the light amount regulator 1111.
  • the multi-anode photomultiplier tube is realized.
  • the amount of received light is adjusted by adjusting the light receiving area in the photomultiplier tube by selecting at least one of the plurality of light receiving surfaces, and an energy filter is realized.
  • FIG. 8 is a partial schematic view of the reflected electron detection system 1120 of the scanning electron microscope.
  • the multi-anode photomultiplier tube 1114 has a plurality of divided light receiving surfaces, and at least one of a plurality of light receiving signals from the plurality of light receiving surfaces is added by a signal processing circuit 1115 in the subsequent stage to obtain an image. It is a signal.
  • the signal processing circuit 1115 has a switching function / addition function for selecting which of the signals output from the plurality of light receiving surfaces is to be added.
  • the light receiving surface of the multi-anode photomultiplier tube 1114 can be divided into five light receiving surfaces.
  • the transmittance TF is set to 0.2 (20) of 1/5 in the first embodiment. The same effect as that of%) can be obtained.
  • the relationship between the number of light receiving surfaces to be used and the energy threshold value can be acquired in advance, and the same user interface as that of the first embodiment can be adopted.
  • the number of divisions of the light receiving surface of the multi-anode photomultiplier tube 1114 is not limited to the above.
  • the output signal output by each of the plurality of light receiving surfaces may be stored in the computer system 146 under predetermined conditions.
  • This also supports, for example, the case where the contact area between the light guide element 1110 and the multi-anode photomultiplier tube 1114 is not constant, or the case where the light-receiving sensitivity of the multi-anode photomultiplier tube 1114 varies among a plurality of light-receiving surfaces. It is expected that the accuracy of setting the energy threshold will be improved.
  • the signal processing circuit 1115 instead of selecting at least one of the plurality of light receiving surfaces in the signal processing circuit 1115, the signal processing circuit 1115 obtains based on the light receiving signals of all the light receiving surfaces.
  • the generated electric signal can be temporarily stored in the recording device 145. After that, when an arbitrary energy threshold value is set in the user interface, the stored electric signal is added according to the threshold value to obtain an image signal of the sample. This method is advantageous over the above-described embodiment in that the energy threshold value can be set after the image of the sample is taken.
  • the scattering element 1119 can be formed on the side surface of the light guide element 1110 as a light guide. This makes it possible to prevent the image of the light emitting position of the phosphor 1023 from being formed on the light receiving surface of the multi-anode photomultiplier tube 1114.
  • the scattering element 1119 can be a scattering element such as an aluminum sleeve whose surface is sufficiently coarser than the emission wavelength of the phosphor 1023.
  • the scattering element 1119 reduces the illumination effect (reduces the anisotropy of the reflected electron signal), and at the same time, the image of the light emitting position of the phosphor 1023 is the light receiving surface of the multi-anode photomultiplier tube 1114. It is possible to prevent the image from being formed on the surface.
  • FIG. 9 shows a further suitable modification of the second embodiment.
  • a light guide element 1110 having a smaller cross-sectional diameter is connected to the multi-anode photomultiplier tube 1114.
  • the non-detection light receiving surface 1141 and the detected light receiving surface are symmetrical with respect to the central axis of the light guide element 1110.
  • Surface 1140 is selected by computer system 146. By doing so, the illumination effect on the reflected electrons can be reduced, and the anisotropy of the reflected electron signal can be reduced.
  • the received light amount is adjusted as in the first embodiment, it is possible to impart the function of the energy filter to the small BSE detector. It becomes. Further, in the second embodiment, the signal from all the dividing surfaces of the multi-anode photomultiplier tube 1114 can be once acquired and stored, and then any signal can be added. It is more advantageous than the embodiment.
  • FIG. 10 is a side view of the structure of the backscattered electron detection system 1120
  • FIG. 11 is a perspective view.
  • this third embodiment also employs a method of adjusting the amount of received light in the backscattered electron detection system 1120 by changing the light receiving area in the photomultiplier tube.
  • the multi-anode photomultiplier tube 1114 is used, whereas in the third embodiment, a plurality (for example, one of the phosphor 1023 and one light guide element 1110) are used. It is equipped with 4) photomultiplier tubes 1116.
  • four detectors are arranged at approximately equal intervals in the circumferential direction so as to be axisymmetric with respect to the primary electron 116, but the number of detectors and the arrangement interval are limited to a specific format. It is not something that is done.
  • the phosphor 1023 and the light guide element 1110 can have a concentric circular shape (doughnut shape) as shown in FIG.
  • the computer system 146 when some of the plurality of photomultiplier tubes 1116 are selected, the computer system 146 is oriented so that the selected photomultiplier tubes 1116 are axially symmetric with respect to the electron beam 116. Can be configured. Thereby, the anisotropy of the signal can be reduced as in the second embodiment.
  • At least one of the plurality of photomultiplier tubes 1116 may be selected in the signal processing circuit unit 1115, or the photomultiplier tubes 1116 can be obtained from all the photomultiplier tubes 1116.
  • the electric signal may be temporarily stored in the storage device 145, and then the electric signal to be added may be selected (similar to the second embodiment). Therefore, according to the third embodiment, the same effect as that of the second embodiment can be obtained.
  • the plurality of reflected electron detection systems composed of any one of the plurality of photomultiplier tubes 1116 and the corresponding phosphor 1023 and the light guide element 1110 may have different characteristics and structures from each other.
  • the energy threshold value and the transmittance TF may be different from each other among a plurality of backscattered electron detection systems.
  • the effect of emphasizing the lighting effect can be expected by changing the energy threshold value among the plurality of backscattered electron detection systems.
  • the first embodiment is in that signals from all of the plurality of photomultiplier tubes 1116 can be once acquired and stored, and then any signal can be added. It is more advantageous than.
  • the overall configuration of the scanning electron microscope of the fourth embodiment is the same as that of the first embodiment (FIG. 1) except for the point described with reference to FIG. In FIG. 12, the same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts, so duplicate description will be omitted.
  • the stage 115 is configured to be movable in the direction of the primary electrons 116, and the distance between the objective lens 113 and the sample 114 can be adjusted.
  • the objective lens 113 can focus on the sample 114 at a long focal length, so that it can also focus on the primary electron 116 having a high acceleration voltage.
  • the stage 115 can be kept close to the objective lens 113 up to an acceleration voltage of 30 kV, the stage 115 can be lowered at an acceleration voltage of 45 kV, and the objective lens 113 sample 114 can be focused at a distance.
  • the acceleration voltage of the electron beam 116 is 60 kV
  • the median energy of the secondary electrons 117 at the time of emission from the sample 114 is -1 to -2 eV.
  • the energy of the secondary electrons at the time of collision with the phosphor 1023 becomes a value substantially equal to the sample table voltage.
  • the energy of the backscattered electrons 1017 at the time of emission from the sample 114 depends on the material of the sample 114, but the median value is generally 1/2 to 2/3 of the energy of the primary electrons 116. Therefore, the backscattered electrons 1017 have higher energy than the secondary electrons 117. For example, when the acceleration voltage of the electron beam 116 is 60 kV, the median energy of the reflected electrons 1017 at the time of emission from the sample 114 is often 30 KeV to 40 KeV.
  • the energy threshold value for the transmittance TF of the light amount regulator 1111 By setting the energy threshold value for the transmittance TF of the light amount regulator 1111 to the energy of about the sample table voltage, the secondary electrons 117 cannot be detected.
  • the transmittance TF By setting the transmittance TF in this way, it is possible to cut the signal of the secondary electrons 117, and it is possible to emphasize only the signal of the backscattered electrons 1017.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications.
  • the above-described embodiments have been described in detail 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.
  • the above-described embodiments have been described in detail 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.
  • it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. ..
  • Sample stand voltage control unit 145 ... Recording device, 146 ... Computer System, 147 ... Display device, 1017 ... Reflected electron (BSE), 1021 ... Mesh electrode, 1023 ... Phosphorant, 1025 ... Sample table, 1028 ... ExB element, 1030 ... Upper magnetic path, 1031 ... Lower magnetic path, 1034 ... Non Point corrector, 1110 ... Light guide element, 1111 ... Light amount adjuster, 1112 ... Photoelectron multiplying tube, 1114 ... Multi-anodic photoelectron multiplying tube, 1115 ... Signal processing circuit unit, 1119 ... Scattering element, 1301 ... Energy discrimination condition setting Window, 1302 ... Energy threshold setting box, 1303 ... Preset selection unit, 1304 ... Image quality setting box.

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Abstract

小型のＢＳＥ検出器においてもエネルギーフィルタの機能を付与することができる荷電粒子線装置を提供する。この荷電粒子線装置は、荷電粒子線の試料への照射によって生じた荷電粒子を光に変換する蛍光体と、前記蛍光体からの光を検出する検出器と、前記光を前記蛍光体から前記検出器に導くための導光素子と、前記検出器が前記蛍光体及び前記導光素子を介して受光する光の光量を調整する光量調整器と、前記光量調整器を制御する制御部とを備える。

Description

荷電粒子線装置
　本発明は、試料に対する荷電粒子ビームの照射によって得られる荷電粒子を検出する荷電粒子線装置に関する。
　プローブとなる荷電粒子線を試料面上で走査して、その領域の画像を得る荷電粒子線装置には、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ : Scanning Electron Microscope）、走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ : Scanning Ion Microscope）、収束イオンビーム（ＦＩＢ : Focused Ion Beam）加工装置などがある。一般的な荷電粒子線装置では、プローブとなる荷電粒子線を試料に照射し、観察領域である視野内で荷電粒子線を走査させながら、試料から発生する電子を検出する。検出対象が電子である場合、一般的には信号電子を検出器に衝突させて電気信号に変換し、この電気信号をアナログデジタル（Ａ／Ｄ）変換器によって所定の時間（サンプリング時間）で計測してデジタル信号に変換し、集計した結果を荷電粒子線の走査位置に対応した画素にプロットすることで、走査領域に対応した画像が生成される。
　荷電粒子線装置において検出対象である信号電子は、二次電子（ＳＥ：Secondary Electron）と、プローブとなる荷電粒子線が試料によって反射されて出射する反射電子（ＢＳＥ : Back Scattered Electron）に大別される。反射電子（ＢＳＥ）に基づく画像は、入射電子の照射エネルギーや、検出器の位置による照明効果によって、試料表面の凹凸情報が豊富な画像となる場合もあれば、試料内部の組成情報が豊富な画像となる場合もある。試料の組成情報を取得したい場合においては、試料表面の凹凸情報を低減する必要があり、そのための手法も各種提案されている（例えば特許文献１）。
　近年の半導体製造工程の発展に伴い、深溝や深穴などの立体構造の深さが増加している。このため、荷電粒子線の加速電圧を増加させ、深い場所から出射する反射電子を取得して検査・計測を行う高加速ＳＥＭの需要が増してきている。高加速ＳＥＭにおいて、深溝や深穴と言った微細立体構造を計測する場合、対物レンズと試料との間の距離を小さくするとともに、試料の直上に小型のＢＳＥ検出器を配置することが求められる。一例として、セミインレンズ型対物レンズと試料台との間に、厚さ２～５ｍｍ程度の小型のＢＳＥ検出器を設置することにより、高加速ＳＥＭにおいて、立体構造の検査計測と高分解能を両立することが可能になる。
　一方、試料内部の組成情報を弁別し画像のコントラストを向上させるには、反射電子のエネルギーにより信号弁別を行うエネルギーフィルタが有効である（例えば、特許文献２及び特許文献３参照）。
　しかし、上記のような小型のＢＳＥ検出器においてエネルギーフィルタの機能を付与することは困難であった。
特開２０１９-２０４７０４号公報 特開２００５-４９９５号公報 特許第６２６７５２９号公報
L. Reimer, "Scanning Electron Microscopy, 2nd Edition", Springer, 1998, pp.193―194 K.Kanaya and S.Okayama, "Penetration and energy-loss theory of electrons in solid targets",Journal of Physics D:Applied Physics,Vol 5,Number 1
　本発明は、上記の課題に鑑み、小型のＢＳＥ検出器においてもエネルギーフィルタの機能を付与することができる荷電粒子線装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明に係る荷電粒子線装置は、荷電粒子線の試料への照射によって生じた荷電粒子を光に変換する蛍光体と、前記蛍光体からの光を検出する検出器と、前記光を前記蛍光体から前記検出器に導くための導光素子と、前記検出器が前記蛍光体及び前記導光素子を介して受光する光の光量を調整する光量調整器と、前記光量調整器を制御する制御部とを備えることを特徴とする。
　本発明によれば、小型のＢＳＥ検出器においてもエネルギーフィルタの機能を付与することができる荷電粒子線装置を提供することができる。
第１の実施の形態に係る荷電粒子線装置の全体構成を説明する概略図である。 第１の実施の形態の荷電粒子線装置における反射電子の検出過程を説明する概略図である。 反射電子１０１７のエネルギーと、反射電子検出系１１２０との関係について説明するグラフである。 エネルギーフィルタの設定のため表示部１４７に表示されるユーザインタフェースの画面の一例を示す。 エネルギーフィルタの設定のため表示部１４７に表示されるユーザインタフェースの画面の別の例を示す。 第１の実施の形態における光量調整器１１１１の調整の手順の一例を説明するフローチャートである。 試料１１４に１次電子１１６が入射した際の試料１１４内での散乱電子１０１６の振る舞いについてモンテカルロシミュレーションを行った結果を示すシミュレーション画面である。 第２の実施の形態に係る荷電粒子線装置を説明する概略図である。 第２の実施の形態の好適な変形例を示す。 第３の実施の形態に係る荷電粒子線装置を説明する概略図である。 第３の実施の形態に係る荷電粒子線装置を説明する概略図である。 第４の実施の形態に係る荷電粒子線装置を説明する概略図である。
　以下、添付図面を参照して本実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではない。
　本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。
［第１の実施の形態］
　図１～図６を参照して、第１の実施の形態に係る荷電粒子線装置を説明する。ここでは荷電粒子線装置の一形態として走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を例にとって説明するが、以下の実施の形態は、走査電子顕微鏡以外の荷電粒子線装置にも適用可能である。
　図１の概略図を参照して、第１の実施の形態に係る走査電子顕微鏡の全体構成を説明する。この走査型電子顕微鏡は、一例として電子銃１００と、アライナ１０２と、第１コンデンサレンズ１０３と、第２コンデンサレンズ１０５と、第１走査偏向器１０６と、第２走査偏向器１０８と、対物レンズ１１３と、二次電子検出器１２１と、メッシュ電極１０２１と、ＥｘＢ素子１０２８と、蛍光体１０２３と、導光素子１１１０と、光量調整器１１１１と、光電子増倍管１１２と、非点補正器１０３４とを備える。
　また、この走査型電子顕微鏡は、上述の構成要素を制御するための制御部１３１、１３２、１３３、１３５、１３８、１３９、１４１、１４２、１４４、２０２１、２０２２、２０２４、２０２５も備えている。こられの制御部は、コンピュータシステム１４６（制御部）により制御される。コンピュータシステム１４６は、記録装置１４５、表示装置１４７に接続されている。コンピュータシステム１４６は、記憶装置１４５に記憶された制御データ等に基づいて各制御部を統一的に制御する。２次電子検出器１２１と蛍光体１０２３の２つの検出器によって検出された検出信号は、記憶装置１４５に記憶され、その検出信号に基づく計測結果は、後述するユーザインタフェースとして表示装置１４７に表示され得る。
　電子銃１００は、電子ビーム（１次電子）１１６を放出する。電子ビーム１１６は、アライナ１０２、非点補正器１０３４、第１コンデンサレンズ１０３、及び第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に試料台１０２５を介して保持された試料１１４上に照射される。アライナ１０２は、電子銃１００の後段に配置され、電子ビーム１１６の光軸を調整する。電子ビーム１１６は、一例として加速電圧１０ｋＶ以上を与えられる。電子銃１００は、電子銃制御部１３１により制御され、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により制御され、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により制御される。アライナ１０２は、アライナ制御部１３２によって制御される。非点補正器１０３４は、非点補正器制御部１０２４の制御の下、電子ビーム１１６の非点収差を補正するよう動作する。
　対物レンズ１１３の上磁路１０３０にはブースタ電圧制御部１４１から正電圧が、試料１１４には試料電圧制御部１４４から負電圧が印加されており、これにより静電レンズが形成され得る。好適な実施の形態では、上磁路１０３０に電圧を加えることなく対物レンズ１１３を使用することができる。また、対物レンズ１１３の上磁路１０３０と下磁路１０３１には、発生する磁場強度の中心が試料１１４に極力近づくよう、開口がステージ１１５側にある。このような構造はセミインレンズ型と呼ばれる。
　上記構造により、対物レンズ１１３の磁場のピークは、磁路最下面より下にすることができ、対物レンズ１１３と試料１１４の間の距離以下に対物レンズ１１３の焦点距離を短くし、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、対物レンズのコイルに流れる励磁電流を制御する。対物レンズ１１３は、図示の例ではセミインレンズ型であるが、対物レンズ１１３は、レンズ磁場のピークが磁路開口中にあるアウトレンズ型の対物レンズや、シュノーケル型対物レンズであってもよい。アウトレンズ型の対物レンズに比べ、セミインレンズ型対物レンズやシュノーケル型対物レンズと呼ばれる対物レンズを採用することで、対物レンズと試料の間の距離以下に焦点距離を設定することが容易になる。
　試料１１４上に到達する１次電子１１６は、第１走査偏向器１０６と第２走査偏向器１０８とにより２次元に走査され、その結果として試料１１４の２次元画像が得られる。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。２次元画像は表示装置１４７に表示される。
　１次電子１１６の照射の結果として試料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１１３により上方に導かれ、対物レンズ１１３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１１３の上流に配置されたＥｘＢ素子１０２８による偏向作用を受け、メッシュ電極２０２２を通過して２次電子検出器１２１に到達する。
　ＥｘＢ素子１０２８は、電場と磁場を直交して発生させることの出来る電子光学素子であり、１次電子と２次電子とを分離する機能を有する。ＥｘＢ素子１０２８は、ＥｘＢ素子制御部２０２５により制御される、２次電子検出器１２１は高電圧で２次電子を吸引するため、メッシュ電極１０２１で漏洩電場を遮断している。２次電子検出器１２１、メッシュ電極１０２１は、それぞれ、２次電子検出器制御部２０２１、メッシュ電極制御部２０２２により制御される。
　一方、試料１１４から放出される高エネルギーの反射電子（後方散乱電子（ＢＳＥ））１０１７は、蛍光体１０２３に入射された後、導光素子１１１０、光量調整器１１１１を介して光電子増倍管１１１２に入射して反射電子画像として検出される。蛍光体１０２３は、対物レンズ１１３と試料台１０２５との間の位置に配置される。蛍光体１０２３、導光素子１１１０、光量調整器１１１１、及び光電子増倍管１１１２により、反射電子検出系１１２０が構成される。光電子増倍管１１１２に代えてフォトダイオードやシリコンフォトマルチプライヤーを使用することもできる。
　蛍光体１０２３は、対物レンズ１１３の下方に位置し、反射電子（ＢＳＥ）１０１７が蛍光物質に衝突することにより光子を発生させる。導光素子１１１０は、合成石英などにより構成されるライトガイドであり、蛍光体１０２３で発生した光を光電子増倍管１１１２に導く。光量調整器１１１１は、導光素子１１１０を通過する光の光量を調整する機能を有する。光量調整器１１１１は、一例として印加電圧に従って透過率が変化するフィルタ素子とすることができる。後述するように、この光量調整器１１１１の透過率ＴＦを調整することで、ＢＳＥ検出器においてエネルギーフィルタを実現することができる。
　図２を参照して、第１の実施の形態の走査電子顕微鏡における反射電子（ＢＳＥ）１０１７の検出過程を詳細に説明する。図２は第１の実施の形態の走査型電子顕微鏡の主要部である対物レンズ１１３の下方の蛍光体１０２３の拡大図面である。
　高エネルギーの反射電子（ＢＳＥ）１０１７は、対物レンズ１１３（上磁路１０３０及び下磁路１０３１）と試料台１０２５の間にある蛍光体１０２３に衝突し、蛍光体１０２３から光子を放出させる。放出された光子（光）は、導光素子１１１０により導光され、光量調整器１１１１を通過した後、光電子増倍管１１１２に到達する。光電子増倍管１１１２は、到達した光子の個数に応じた電気信号を発生させる。その電気信号は、ＢＳＥ検出系制御部１３８により検出される。蛍光体１０２３は試料台１０２５に向かって逆テーパ状に形成され、テーパ面と下面において電子を照射される。入射した電子が蛍光体１０２３の内部の蛍光物質に衝突することで光子が発生する。
　次に反射電子１０１７のエネルギーと、反射電子検出系１１２０との関係について、図３を参照して説明する。非特許文献１にも詳しく説明されているが、反射電子検出系１１２０の検出効率ＤＱＥ（Detector Quantum Efficency）は、以下の数式［数１］～［数３］で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　上記の検出効率ＤＱＥは通常１から０までの値を取り、ＤＱＥ＝１の場合、損失が全く無く信号が検出できる検出器であることを示す。逆に０の場合、一切信号が検出できない検出器であることを示す。
　上記の［数１］において、ν(ＧＤ)は、反射電子検出系１１２０の信号増倍率の分散を示し、詳しくは［数２］のように表現される。［数２］において、ｍは蛍光体１０２３の１信号電子あたりの発光光子数を示し、Ｔは、光量の減衰要素（例：導光素子１１１０の透過率、光電子増倍管１１１２の量子効率、及び光量調整器１１１１の透過率など）の全積を示す。また、ν(ＧＰＭ)は、光電子増倍管１１１２の信号増幅率の分散を示す。分散ν(ＧＰＭ)は［数３］のように表現される。［数３］のδは、光電子増倍管１１１２の１段あたりの増幅率を示す。
　［数１］～［数３］を整理すると、検出効率ＤＱＥは以下の数式［数４］で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ここで、１個の反射電子の持つエネルギーを、以下ではＢＳＥエネルギーＥＢＳＥと称する。すると、蛍光体１０２３の発光量がＢＳＥエネルギーＥＢＳＥに比例するのであれば、前述の発光格子数ｍは、比例係数ｍ’を用いてｍ＝ｍ’×ＥＢＳＥと書くことができる。さらに、全積Ｔは、導光素子１１１０の透過率ＴＬと光量調整器１１１１の透過率ＴＦの積として、Ｔ＝ＴＬ×ＴＦで表すことができる。このため、［数４］は以下の［数５］のように書き直すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　以上より得た［数５］を使って、光量調整器１１１１の透過率ＴＦを変化させた場合のエネルギーフィルタの効果をシミュレーションした結果を図３に示す。図３の上側のグラフは、ＢＳＥエネルギーＥＢＳＥと検出効率ＤＱＥとの関係を、異なる透過率ＴＦ毎に示すグラフである。また、図３の下側のグラフは、透過率ＴＦの逆数１／ＴＦと、エネルギー閾値（ｋｅＶ）との関係を示すグラフである。このシミュレーションでは、ｍ'＝２０（／ｋＶ）、ＴＬ＝０．０２５、δ＝５と設定し、ＢＳＥエネルギーＥＢＳＥを１ｋＶから３０ｋＶまでの間で変化させている。
　図３の上側のグラフから分かるように、透過率ＴＦを、例えば１、０．５、．．．０６２５（最大値の１／１６）と変化させると、いずれの場合にも、ＥＢＳＥ＝４５ＫｅＶにおける検出効率ＤＱＥと比較して、低エネルギーのＥＢＳＥの検出効率ＤＱＥは低下することが分かる。
　このグラフから明らかなように、透過率ＴＦの値を変更することにより、ＢＳＥエネルギーＥＢＳＥと検出効率ＤＱＥとの関係を表すカーブが変化する。すなわち、透過率ＴＦを任意の値に変更することで、図１に示すような小型のＢＳＥ検出器としての反射電子検出系１１２０において、反射電子のエネルギーフィルタを実現することができる。
　本実施の形態では、透過率ＴＦを、ユーザにとって直感的に理解し易い値、例えばエネルギー閾値に変換する。図３の下側のグラフは、横軸をＴＦの逆数１／ＴＦとし、縦軸をエネルギー閾値としたグラフである。エネルギー閾値は、光電子増倍管１１１２の検出効率が基準値との関係で所定値以下になるときの反射電子のエネルギーの値として定義され得る。例えばＥＢＳＥ＝４５ＫｅＶにおける検出効率ＤＱＥを１として規格化し、検出効率ＤＱＥが０．５（５０％）以下となるＢＳＥエネルギーＥＢＳＥとして規定し得る。
　図３の下側のグラフは、２次式程度で精度良く近似できる。又は、透過率ＴＦとエネルギー閾値との関係を離散的にテーブル形式でコンピュータシステム１４６内に保存しておくことも可能である。後述するユーザインタフェースから入力されたエネルギー閾値から透過率ＴＦを設定し、エネルギーフィルタを設定することが可能となる。
　なお、上記の例では、蛍光体１０２３の発光量がＢＳＥエネルギーＥＢＳＥに比例する場合を示したが、反射電子（ＢＳＥ）１０１７が照射される一次電子１１６より高いエネルギーを持つことはない。さらに比例でなくても、蛍光体１０２３の発光量（又は発光効率）がＢＳＥエネルギーＥＢＳＥに対し単調増加又は単調減少であれば、ＢＳＥエネルギーＥＢＳＥと発光量が対応関係を持つため、上記の比例の場合と同様の対応が可能となる。単調増加であれば、透過率ＴＦを減少させることにより、検出効率ＤＱＥを低下させるエネルギーフィルタが実現できる。逆に、単調減少であれば、透過率ＴＦを減少させることにより、検出効率ＤＱＥを増加させるエネルギーフィルタが実現できる。
　図４は、エネルギーフィルタの設定のため表示部１４７に表示されるユーザインタフェースの画面の例を示す。エネルギーフィルタの設定のためのエネルギー弁別条件設定ウインドウ１３０１が、表示装置１４７に表示される。このウインドウ１３０１には、前述のエネルギー閾値をユーザに設定させるためのエネルギー閾値設定ボックス１３０２が含まれる。ボックス１３０２中のバーを、例えばマウス等を用いてドラグすることにより、エネルギー閾値を任意の値に変更し、これにより光量調整器１１１１の透過率ＴＦを変更することができる。
　また、このウインドウ１３０１は、異なる装置間でのエネルギー閾値の違いを吸収するためのプリセット選択部１３０３も含んでいる。このプリセット選択部１３０３において、例えば「従来装置１」などを選択することにより、従来装置と同等となる光量調整を選択することができる。
　図１で示した導光素子１１１０や光電子増倍管１１１２は、異なる装置間で異なる透過率ＴＦ及び量子効率を持ち得る。一般にこれらの値を大きくすればするほど、上記で説明した通り、低エネルギーの反射電子まで検出できるようになるので装置性能の向上に繋がる。一方、透過率ＴＦや上記量子効率が増加することでエネルギー閾値が変化してしまい、意図しない画質変化が発生することが起こり得る。
　そこで、本実施の形態では、プリセット選択部１３０３において、例えば「従来装置１」などの選択を行うことにより、当該装置において、当該「従来装置１」と同等のエネルギー閾値を選択することができる。例えば、新規に導入した装置において、従来の装置との関係で、同一のＢＳＥエネルギーＥＢＳＥに対し同一検出効率ＤＱＥを得ることができる。従来装置のデータを予めプリセットとして持つことで、上記画質変化を防ぎ、新規開発装置と従来装置とで同様の画質を得ることができる。
　また、同モデルの走査型電子顕微鏡を複数台導入した場合にも、複数装置間で透過率や量子効率にバラつきが発生し得る。上記バラつきのためにエネルギー閾値が複数装置間で変化してしまい、複数の装置間で意図しない画質変化が発生する。上記プリセット選択部１３０３によれば、同モデルの荷電粒子線装置を複数台作製した場合の画質変化を抑制することができる。
　図５は、ユーザインタフェースの別の例を示している。このユーザインタフェースの画面は、エネルギー閾値設定ボックス１３０２に代えて、画質調整ボックス１３０４を備えている。この画質調整ボックス１３０４は、画質１、画質２・・・のように、撮影される撮像画像の画質のレベルについて、複数の選択肢の中から任意の１つを設定するためのボックスである。
　図６を参照して、第１の実施の形態における光量調整器１１１１の調整の手順の一例を説明する。まず、ユーザインタフェースからエネルギー閾値を選択するか、又はプリセット選択部１３０３からプリセット条件を入力する（ステップＳ１０）。
　次に、入力されたエネルギー閾値又はプリセット条件から、コンピュータシステム１４６内に保存された式もしくはテーブルに基づき、エネルギー閾値を実現できる透過率ＴＦを決定する（ステップＳ１２）。そして、決定された透過率ＴＦを光量調整器１１１１に設定する（ステップＳ１４）。以上の処理により、本実施の形態では、光量調整器１１１１の透過率ＴＦの値を変更でき、ＢＳＥのエネルギーフィルタを実現することができる。
　なお、本実施の形態の光量調整器１１１１では、図示は省略するが、受光面積調整手段として、光学顕微鏡等で一般に用いられる可動式の虹彩絞りを用いることができる。虹彩絞りは光の通る穴の大きさを光軸中心に対し軸対称に変化させることで、穴より外周の光を遮断し光量を調整する素子である。このため、光軸中心の光のみが通過し、外周の光が遮断される。
　導光素子１１１０の形状、及び光量調整器１１１１の設置位置によっては、反射電子１０１７が蛍光体１０２３の中心付近に衝突した場合は虹彩絞りを通過できるが、外周付近に衝突した場合は虹彩絞りを通過できず光が遮断されることが生じる。このことで試料１１４からの反射電子１０１７の出射角度によって、信号の検出の可／不可が決定されてしまい、意図しない画質変化をもたらす可能性がある。例えば図２において試料１１４から左方向に出射した反射電子１０１７が発生させる光が遮断される一方で、右方向に出射した反射電子１０１７による光が通過するようなことが生じ得る。この場合、左右の光量の差が発生し、右方向の方が明るく凹凸が強調されるといったいわゆる照明効果が発生する懸念がある。このような事象は、導光素子１１１０の形状及び光量調整器１１１１の設置位置を工夫したり、第２の実施の形態で説明する散乱素子１１１９（図８）の導入などにより低減することが可能である。
　さらに、本実施の形態では、１次電子１１６の持つエネルギーに対して以下に説明する対処をすることで、上記の懸念を更に低減することができる。これを図７を参照して具体的に説明する。
　図７は試料１１４に１次電子１１６が入射した際の試料１１４内での散乱電子１０１６の振る舞いについてモンテカルロシミュレーションを行った結果である。１次電子１１６の加速電圧は５ｋＶ、試料１１４はシリコン（Ｓｉ）であると仮定している。
　図７の左側の図は、試料１１４に１００個の１次電子１１６を入射させた結果を示していて、右側の図は１００００個の１次電子１１６を入射させた結果を示す。このように１次電子１１６は試料１１４内に入射するとランダムに散乱され、偶然表面から出射した１次電子が反射電子１０１７として観察される。入射した１次電子１１６の個数が少ない場合、左側の図の如く、試料１１４内での散乱は稲妻状の軌跡が見て取れる。一方、１００００個の電子を入射させた場合、ほぼ散乱１０１６が発生した軌跡は試料１１４にて切断される球で近似することが可能となる。この球は散乱球と呼ばれる。
　ここで、試料１１４の表面から散乱球の下部までの深さをＲ、試料１１４の表面における散乱球の断面の半径をｒＢとする。さらに荷電粒子線装置にて観察される試料１１４の平面方向の周期的構造の周期をＲＳとする。この場合、半径ｒＢが周期Ｒｓより十分大きければ、試料１１４から出射される反射電子１０１７や２次電子１１７が持つ試料１１４の表面の凹凸情報は、試料内での１次電子１１６の散乱により平均化されてしまうため、上記懸念を低減することが可能である。経験的には、半径ｒＢが周期Ｒｓより２倍より大きければ（下記の［数６］）、上記懸念は十分無視することが可能である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　［数６］を満たすことが試料の表面の凹凸情報を低減するために有用であることを、以下において説明する。非特許文献２にも詳しく説明されるように、試料１１４を構成する原子の原子番号をＺ、当該原子の原子量Ａ、密度ρ（ｇ／ｃｍ３）、１次電子線１１６のエネルギーをＥ０としたとき、以下の数式７～９が成立する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
また、非特許文献２に記載の通り、［数７」のＣは１．１が適切であり、［数７］から［数１０］が導かれる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
また、［数９］のρを右辺に移項して［数１１］のように書くことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　［数８］のγ、［数１１の］Ｒを［数１０］に代入することで半径ｒＢを計算することができる。［数８］及び［数１１］に示すように、半径Ｒは、原子番号Ｚ、原子量Ａ、密度ρ（ｇ／ｃｍ３）、１次電子線１１６のエネルギーをＥ０に依存し、特にＥ０についてはＥ０＞０において単調増加となることは重要である。つまり、１次電子１１６の加速電圧を十分に高くすれば、散乱球の断面の半径ｒＢは大きくなり、この半径ｒＢが周期Ｒｓよりも２倍以上大きければ、反射電子の照明効果による試料の凹凸情報は十分小さくできることが分かった。すなわち、［数６］の条件を設定することが有効であることが分かった。例えば、一般的な１００ｎｍ程度の珪素を主体とする微細構造試料においては、加速電圧を５ｋＶ以上とすることで、凹凸情報を十分に小さくすることができる。
　例えば、珪素（Ｓｉ）から構成される半導体の微細構造を試料１１４とする場合を考える。珪素の原子番号Ｚ＝１４、原子量Ａ＝２８．１、密度ρ＝２．３３（ｇ／ｃｍ３）として、Ｅ０＝５０００（ｅＶ）のときの半径ｒＢは２６６ｎｍとなり、この関係を満たす微細構造試料の平面方向の大きさＲは１３３ｎｍとなる。例えば近年作製が開始された１４ｎｍプロセスルール半導体のライン微細構造試料の１周期の大きさは約４０～５０ｎｍであり、これよりｒＢは十分大きい。また、その他の一般的な半導体を主体とする１００ｎｍ程度微細構造試料においても照射される荷電粒子線の照射エネルギーが５ｋeＶ以上あれば本発明を実施するのに十分であると言える。
　さらに凹凸情報を小さくするには、光量調整器１１１１に光量調整手段としてエレクトロクロミック材料を用いた電子カーテンシステムを用いることで、部分的な遮光が発生しなくなるため、より低加速電圧でも本発明の効果を十分得ることができる。以上、本実施の形態によれば、小型ＢＳＥ検出器に対してエネルギーフィルタの機能を付与することが可能となることが分かる。
［第２の実施の形態］
次に、図８を参照して、第２の実施の形態に係る荷電粒子線装置を説明する。ここでも、荷電粒子線装置の一形態として走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を例にとって説明するが、以下の実施の形態は、走査電子顕微鏡以外の荷電粒子線装置にも適用可能である。
　この第２の実施の形態の走査型電子顕微鏡の全体構成は、図８及び図９で説明する部分を除き、第１の実施の形態（図１）と同様である。尚、図８及び図９において、図１～図７と同一符号は同一部品を示すので、重複する説明は省略する。
　図８に示すように、第２の実施の形態では、マルチアノード光電子増倍管１１１４を光検出手段として採用している。マルチアノード光電子増倍管１１１４の出力は、増幅器を介して信号処理回路１１１５に出力され、コンピュータシステム１４６に出力される。第１の実施の形態では、光量調整器１１１１の透過率ＴＦを変更することで、ＢＳＥ検出器においてエネルギーフィルタを実現しているが、この第２の実施の形態では、マルチアノード光電子増倍管１１１４において、複数の受光面のうちの少なくとも１つを選択することで光電子増倍管における受光面積を調整することで受光光量を調整し、エネルギーフィルタを実現している。
　図８は、走査電子顕微鏡の反射電子検出系１１２０の部分概略図である。マルチアノード光電子増倍管１１１４は、分割された複数の受光面を有し、その複数の受光面からの複数通りの受光信号のうちの少なくとも１つが、後段の信号処理回路１１１５で加算されて画像信号とされる。信号処理回路１１１５は、複数の受光面から出力される信号のうちいずれを加算対象とするかを選択するスイッチング機能・加算機能を有する。
　例えば、図８に示すように、マルチアノード光電子増倍管１１１４の受光面を５つの受光面に分割することができる。例えば５つの受光面のうちの１つの受光面から出力される信号のみを信号処理回路１１１５で使用した場合、第１の実施の形態において、透過率ＴＦを１／５の０．２（２０％）にしたのと同様の効果が得られる。第１の実施の形態と同様に、使用する受光面の数と、エネルギー閾値との関係を予め取得しておき、第１の実施の形態と同様のユーザインタフェースを採用することもできる。なお、マルチアノード光電子増倍管１１１４の受光面の分割数は上記に限られるものではないことは言うまでもない。
　好適な変形例として、この第２の実施の形態では、所定の条件下で複数の受光面の各々が出力する出力信号をコンピュータシステム１４６に記憶しておいても良い。これにより、例えば導光素子１１１０とマルチアノード光電子増倍管１１１４の接する面積が一定でない場合や、マルチアノード光電子増倍管１１１４の受光感度が複数の受光面の間でばらつきがある場合にも対応することができ、エネルギー閾値の設定精度が向上することが期待される。
　第２の実施の形態の更なる変形例として、信号処理回路１１１５において複数の受光面のうちの少なくとも１つを選択する代わりに、全ての受光面の受光信号に基づいて信号処理回路１１１５で得られた電気信号を一旦記録装置１４５に保存することができる。その後、ユーザインタフェースで任意のエネルギー閾値が設定されると、その閾値に応じて、保存された電気信号が加算され、試料の画像信号とされる。この方式は、試料の撮像がなされた後においてエネルギー閾値を設定することが出来る点で、前述の実施の形態よりも有利である。
　なお、第２の実施の形態の好適な変形例として、ライトガイドとしての導光素子１１１０の側面に、散乱素子１１１９を形成することができる。これにより、マルチアノード光電子増倍管１１１４の受光面に、蛍光体１０２３の発光位置の像が結像しないようにすることができる。散乱素子１１１９は、表面が蛍光体１０２３の発光波長より十分粗いアルミニウムスリーブなどの散乱素子とすることができる。この散乱素子１１１９により、前述のように照明効果が低減される（反射電子信号の異方性が低減される）ともに、蛍光体１０２３の発光位置の像がマルチアノード光電子増倍管１１１４の受光面に結像することを防止することができる。
　第２の実施の形態の更なる好適な変形例を図９に示す。図９はマルチアノード光電子増倍管１１１４に対し、これより断面直径が小さい導光素子１１１０が接続されている。マルチアノード光電子増倍管１１１４の複数の受光面のうち、信号の加算を行う受光面を選択する際、導光素子１１１０の中心軸に対して対称となるよう、非検出受光面１１４１及び検出受光面１１４０がコンピュータシステム１４６により選択される。このようにすることで、反射電子に対する照明効果が低減でき、反射電子信号の異方性が低減され得る。以上説明したように、第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に受光光量が調整されるので、小型ＢＳＥ検出器に対してエネルギーフィルタの機能を付与することが可能となる。また、この第２の実施の形態では、マルチアノード光電子増倍管１１１４の全ての分割面からの信号を一旦取得・記憶し、その後任意のものを加算することができるという点で、第１の実施の形態に比べ有利である。
［第３の実施の形態］
　次に、第３の実施の形態に係る荷電粒子線装置を、図１０及び図１１を用いて説明する。
ここでも、荷電粒子線装置の一形態として走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を例にとって説明するが、以下の実施の形態は、走査電子顕微鏡以外の荷電粒子線装置にも適用可能である。
　この第３の実施の形態の走査型電子顕微鏡の全体構成は、図１０及び図１１で説明する点を除き、第１の実施の形態（図１）と同様である。尚、図１０及び図１１において、図１～図７と同一符号は同一部品を示すので、重複する説明は省略する。図１０は、反射電子検出系１１２０の構造の側面図であり、図１１は斜視図である。
　この第３の実施の形態も、第２の実施の形態と同様に、光電子増倍管における受光面積を変化させることにより、反射電子検出系１１２０における受光光量を調整する方式を採用している。ただし、第２の実施の形態では、マルチアノード光電子増倍管１１１４を用いたのに対し、第３の実施の形態では、１つの蛍光体１０２３及び１つの導光素子１１１０に対し複数個（例えば４個）の光電子増倍管１１１６を備える。図示の例では、１次電子１１６に対して軸対称となるよう、４個の検出器が周方向に略等間隔に配置されているが、検出器の個数、配置間隔は特定の形式に限定されるものではない。
　この周方向に配置された複数個の光電子増倍管１１１６に対応し、蛍光体１０２３及び導光素子１１１０は、図９に示すような同心円形状（ドーナツ形状）とすることができる。ただし、これは一例であって、蛍光体１０２３及び導光素子１１１０も、４個の光電子増倍管１１１６に合わせて周方向において分割されていてもよい。
　なお、第３の実施の形態において、複数の光電子増倍管１１１６のうちのいくつかを選択する場合、選択される光電子増倍管１１１６が、電子ビーム１１６に関し軸対称となるよう、コンピュータシステム１４６を構成することができる。これにより、第２の実施の形態と同様に、信号の異方性を低減することができる。
　また、第３の実施の形態では、信号処理回路部１１１５において複数の光電子増倍管１１１６のうちの少なくとも１つを選択するようにしてもよいし、全ての光電子増倍管１１１６から得られた電気信号を一旦記憶装置１４５に保存し、その後において加算する電気信号を選択させるようにしてもよい（第２の実施の形態と同様）。したがって、第３の実施の形態によれば、第２の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
　また、複数の光電子増倍管１１１６のいずれかと、対応する蛍光体１０２３及び導光素子１１１０とから構成される複数の反射電子検出系は、互いに異なる特性や構造を有していてもよい。例えば、エネルギー閾値や透過率ＴＦは、複数の反射電子検出系の間で互いに異なっていてもよい。低加速電圧において、複数の反射電子検出系の間でエネルギー閾値を変化させることで、照明効果を強調する効果も期待できる。以上説明したように、第３の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に受光光量が調整されるので、小型ＢＳＥ検出器に対してエネルギーフィルタの機能を付与することが可能となる。また、この第３の実施の形態では、複数の光電子増倍管１１１６の全てからの信号を一旦取得・記憶し、その後任意のものを加算することができるという点で、第１の実施の形態に比べ有利である。
［第４の実施の形態］
　次に、第４の実施の形態に係る荷電粒子線装置を、図１２参照して説明する。ここでも、荷電粒子線装置の一形態として走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を例にとって説明するが、以下の実施の形態は、走査電子顕微鏡以外の荷電粒子線装置にも適用可能である。
　この第４の実施の形態の走査型電子顕微鏡の全体構成は、図１２で説明する点を除き、第１の実施の形態（図１）と同様である。図１２において、図１と同一符号は同一部品を示すので、重複する説明は省略する。
　この第４の実施の形態の走査型電子顕微鏡は、ステージ１１５が１次電子１１６の方向に移動可能に構成され、対物レンズ１１３と試料１１４の距離が調整できるようにされている。これにより、対物レンズ１１３は長い焦点距離で試料１１４に合焦できるため、高い加速電圧の１次電子１１６に対しても合焦が可能である。例えば加速電圧３０ｋＶまではステージ１１５を対物レンズ１１３に近づけておき、加速電圧４５ｋＶではステージ１１５を下げ、対物レンズ１１３試料１１４の距離を遠ざけて合焦させることが出来る。
　図１２に示すように、第１の実施の形態の装置のステージ位置Ｐ１に比べ、ステージ１１５を下げた場合、２次電子１１７の軌道が変化するという問題がある。特に試料１１４が対物レンズ１１３に対して遠ざかり試料上の磁場が弱まるため、従来対物レンズ磁場により上方に巻き上げられていた２次電子１１７が蛍光体１０２３に衝突してしまうことが生じ得る。蛍光体１０２３は２次電子１１７の衝突であっても発光してしまうため、反射電子１０１７と信号が混ざることが懸念される。しかし、このような場合であっても、第４の実施の形態の構成に従えば、２次電子１１７に影響されず、反射電子１０１７の信号のみを強調して撮像を行うことが可能となる。
　一例として、電子ビーム１１６の加速電圧が６０ｋＶの場合、２次電子１１７が試料１１４から出射時に有するエネルギーは中央値が－１～－２ｅＶである。試料台電圧制御部１４４により負の試料台電圧が印加されている場合、蛍光体１０２３に衝突時の２次電子のエネルギーはほぼ試料台電圧と等しい値となる。
　一方反射電子１０１７が試料１１４から出射時に有するエネルギーは、試料１１４の材質にもよるが、一般的に中央値が１次電子１１６のエネルギーの１／２～２／３となる。このため、反射電子１０１７は２次電子１１７と比べて高いエネルギーを持つ。例えば電子ビーム１１６の加速電圧が６０ｋＶの場合、反射電子１０１７が試料１１４から出射時に有するエネルギーは、中央値が３０ＫｅＶ～４０ＫｅＶであることが多い。
　光量調整器１１１１の透過率ＴＦを、試料台電圧程度のエネルギーにエネルギー閾値を設定することで２次電子１１７が検出できなくなる。透過率ＴＦをそのように設定することで、２次電子１１７の信号をカットすることが可能となり、反射電子１０１７の信号のみを強調することが可能となる。
　また、上記エネルギー閾値に対しさらに高いエネルギー閾値を設定することで、第１の実施の形態と同様の低エネルギーの反射電子に基づく情報を弁別し、試料表面のコントラストを強調することも可能である。
　なお、本発明は上記した実施の形態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、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、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、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の公知の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。 
１００…電子銃、１０２…アライナ、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…電子ビーム、１１７…２次電子、１３１…電子銃制御部、１３２…アライナ制御部、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走査偏向制御部、１３８…ＢＳＥ検出系制御部、１３９…第２走査偏向制御部、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…記録装置、１４６…コンピュータシステム、１４７…表示装置、１０１７…反射電子（ＢＳＥ）、１０２１…メッシュ電極、１０２３…蛍光体、１０２５…試料台、１０２８…ＥｘＢ素子、１０３０…上磁路、１０３１…下磁路、１０３４…非点補正器、１１１０…導光素子、１１１１…光量調整器、１１１２…光電子増倍管、１１１４…マルチアノード光電子増倍管、１１１５…信号処理回路部、１１１９…散乱素子、１３０１…エネルギー弁別条件設定ウインドウ、１３０２…エネルギー閾値設定ボックス、１３０３…プリセット選択部、１３０４…画質設定ボックス。

Claims (13)

  1. 　荷電粒子線の試料への照射によって生じた荷電粒子を光に変換する蛍光体と、
    　前記蛍光体からの光を検出する検出器と、
    　前記光を前記蛍光体から前記検出器に導くための導光素子と、
    　前記検出器が前記蛍光体及び前記導光素子を介して受光する光の光量を調整する光量調整器と
    　前記光量調整器を制御する制御部と
    を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　前記光量調整器は、制御信号に従い光の透過率を変更可能な素子であり、
    　前記制御部は、前記光量調整器の透過率を制御する
    請求項１に記載の荷電粒子線装置。
  3. 　前記蛍光体は、光の発光量が前記荷電粒子線のエネルギーの増加に応じて単調に増加又は単調に減少する特性を有する、請求項１に記載の荷電粒子線装置。
  4. 　前記蛍光体は、対物レンズと前記試料を載置する試料台との間の位置に配置される、請求項１に記載の荷電粒子線装置。
  5. 　前記検出器は、複数の受光面を有し、
    　前記制御部は、前記複数の受光面のうち加算対象とされる受光面を選択するよう構成される、請求項１に記載の荷電粒子線装置。
  6. 　前記検出器は、分割された複数の受光面を有するマルチアノード光電子増倍管であり、
    　前記制御部は、前記マルチアノード光電子増倍管の複数の受光面のうち加算対象とされる受光面を選択するよう構成される、請求項５に記載の荷電粒子線装置。
  7. 　前記制御部は、複数の受光面の各々からの信号に基づく複数通りの演算結果を記憶部に記憶させると共に、
    　前記複数通りの演算結果から選択された演算結果を加算する、請求項５に記載の荷電粒子線装置。
  8. 　前記光量調整器を調整するためのパラメータの入力を可能とされたユーザインタフェースを表示する表示部を更に備える、請求項１に記載の荷電粒子線装置。
  9. 　前記ユーザインタフェースから指定される前記パラメータは、前記光量調整器の検出効率が、基準値との関係で所定値以下となるときの反射電子のエネルギーとしてのエネルギー閾値である、請求項８に記載の荷電粒子線装置。
  10. 　前記ユーザインタフェースは、撮影画像の画質のレベルを入力可能に構成された、請求項８に記載の荷電粒子線装置。
  11. 　前記ユーザインタフェースは、他の装置のパラメータを選択可能に構成された、請求項８に記載の荷電粒子線装置。
  12. 　前記導光素子は、その側面の一部に光を散乱させる散乱素子を有する、請求項１に記載の荷電粒子線装置。
  13. 　前記試料の平面方向の周期的構造の周期をＲｓ、照射される前記荷電粒子線の照射エネルギーで決定される前記荷電粒子線の前記試料内での散乱球径をｒＢとした場合、
    Ｒｓ＜２×ｒＢを満たす、請求項１に記載の荷電粒子線装置。
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