WO2023238371A1 - 走査電子顕微鏡及び試料観察方法 - Google Patents

走査電子顕微鏡及び試料観察方法 Download PDF

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WO2023238371A1
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electron
electrons
sample
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広康 志知
信裕 岡井
直正 鈴木
哲也 新堀
恵理 齊藤
隆史 佐藤
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株式会社日立ハイテク
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/05—Electron or ion-optical arrangements for separating electrons or ions according to their energy or mass
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J37/02—Details
    • H01J37/244—Detectors; Associated components or circuits therefor

Definitions

  • the present invention relates to a scanning electron microscope and a sample observation method using the same.
  • An electron microscope is a device that magnifies and observes the surface or interior of a sample by irradiating it with an electron beam.
  • an electron microscope image is obtained by scanning an electron beam and using secondary electrons or reflected electrons emitted from a sample as brightness signals.
  • Patent Document 1 discloses a scanning electron microscope that is configured with divided regions to which voltages can be applied independently and includes a metal plate for colliding secondary electrons or reflected electrons to generate tertiary electrons.
  • the ratio of the number of secondary electrons detected from the trench bottom (B) to the number of secondary electrons detected from the trench top (T), the BT ratio, may be increased.
  • the emission angle of the secondary electrons may be limited and detected.
  • An object of the present invention is to provide a scanning electron microscope suitable for measuring the dimensions of the fine structure of the trench bottom and observing foreign substances even in a trench portion with a high aspect ratio.
  • a scanning electron microscope that is an embodiment of the present invention uses at least an electric field between an electron source, an objective lens that focuses a primary electron beam emitted from the electron source onto a sample, and an electron source and an objective lens.
  • the deflector includes a deflector that deflects electrons by using a beam, a stage on which a sample is mounted, a power source that applies a voltage that decelerates the primary electron beam to the stage, a detector that detects electrons, and a control device.
  • An electron conversion electrode arranged so that secondary electrons emitted from the sample upon irradiation with the primary electron beam collide with each other, and a first electrode and a second electrode arranged opposite to each other through which electrons can pass. and a third electrode disposed opposite to the first electrode with the second electrode in between.
  • the electron conversion electrode is divided into a plurality of divided electrodes, and the control device adjusts the potential of the third electrode with respect to the potential of the second electrode. A positive potential difference.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of the overall configuration of an electron microscope.
  • FIG. 3 is a diagram showing a secondary electron emission vector emitted from a trench.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the Wien filter of Example 1 seen from the side.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the Wien filter of Example 1 as seen from a plane direction.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing how secondary electrons are emitted from a trench bottom and a trench top.
  • FIG. 3 is a diagram showing the collision position of secondary electrons on an electron conversion electrode.
  • FIG. 3 is a diagram showing the collision position of secondary electrons on an electron conversion electrode.
  • FIG. 3 is a diagram showing the collision position of secondary electrons on an electron conversion electrode.
  • FIG. 3 is a diagram showing the collision position of secondary electrons on an electron conversion electrode.
  • FIG. 3 is a diagram showing the collision position of secondary electrons on an electron conversion electrode.
  • FIG. 3 is a diagram showing the collision position of secondary electrons on an electron conversion electrode.
  • 3 is a diagram showing the behavior of secondary electrons, reflected electrons, and tertiary electrons in Example 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing the behavior of secondary electrons, reflected electrons, and tertiary electrons in Example 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the Wien filter of Example 2 seen from the side.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the Wien filter of Example 2, viewed from a plane direction.
  • 3 is a diagram showing the behavior of secondary electrons, reflected electrons, and tertiary electrons in Example 2.
  • FIG. 3 is a diagram showing the behavior of secondary electrons, reflected electrons, and tertiary electrons in Example 2.
  • FIG. 3 is a diagram showing the behavior of secondary electrons, reflected electrons, and tertiary electrons in Example 2.
  • FIG. 3 is a diagram showing the collision positions of secondary electrons on a beam guide and an electron conversion electrode.
  • FIG. 3 is a diagram showing the collision positions of secondary electrons on a beam guide and an electron conversion electrode.
  • FIG. 3 is a diagram showing the collision positions of secondary electrons on a beam guide and an electron conversion electrode.
  • FIG. 3 is a diagram showing the collision positions of secondary electrons on a beam guide and an electron conversion electrode.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the electron deflector of Example 3 seen from the side.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the electron deflector of Example 3 viewed from a plane direction.
  • FIG. 7 is a diagram showing the behavior of secondary electrons, reflected electrons, and tertiary electrons in Example 3.
  • FIG. 7 is a diagram showing the behavior of secondary electrons, reflected electrons, and tertiary electrons in Example 3.
  • FIG. 7 is a diagram showing the behavior of secondary electrons, reflected electrons, and tertiary electrons in Example 3.
  • FIG. 3 is a diagram showing the collision positions of secondary electrons on a beam guide and an electron conversion electrode.
  • FIG. 3 is a diagram showing the collision positions of secondary electrons on a beam guide and an electron conversion electrode.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the Wien filter of Example 4 seen from the side.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the Wien filter of Example 4 when viewed from a plane direction.
  • FIG. 7 is a diagram showing detailed structures of a beam guide and an electron conversion electrode in Example 4.
  • FIG. 7 is a diagram showing the behavior of secondary electrons, reflected electrons, and tertiary electrons in Example 4.
  • FIG. 7 is a diagram showing the behavior of secondary electrons, reflected electrons, and tertiary electrons in Example 4.
  • FIG. 3 is a diagram showing the collision positions of secondary electrons on a beam guide and an electron conversion electrode.
  • FIG. 3 is a diagram showing the collision positions of secondary electrons on a beam guide and an electron conversion electrode.
  • FIG. 3 is a diagram showing the collision positions of secondary electrons on a beam guide and an electron conversion electrode.
  • FIG. 3 is a diagram showing the collision positions of secondary electrons on a beam guide and an electron conversion electrode.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a screen displayed on a display of a scanning electron microscope.
  • An electron microscope is a device that observes a sample by irradiating the sample with an electron beam.
  • the electron microscope 100 mainly includes an electron gun 101, an extraction electrode 102, an anode 104, a focusing lens 105, an aperture 106, an adjustment knob 107, an upper deflector 108, a lower deflector 109, a detector 110, and a Wien filter 114. , an objective lens 118, a sample stage 121, a power supply 124 for applying voltage to the sample stage, a control device 150, a display 151, and a storage device 152.
  • the control device 150 is a device that controls the operations of various parts, and is, for example, a computer.
  • the storage device 152 stores a control table 153 that defines control conditions such as voltage and current for each part.
  • the control device 150 reads the control table 153 from the storage device 152 and controls each part based on the control conditions defined in the control table 153.
  • the electron gun 101 is an electron source that emits electrons, and is, for example, a field emission cathode. For example, a negative voltage of 4000V is applied to the electron source.
  • the extraction electrode 102 and the anode 104 are electrodes to which a positive voltage is applied to the electron gun 101, and each has a hole through which the primary electron beam B1, which is the electron emitted from the electron gun 101, passes. Note that the absolute value of the voltage applied to the electron gun 101 is larger at the anode 104 than at the extraction electrode 102.
  • the focusing lens 105 is a lens that focuses the primary electron beam B1.
  • the aperture 106 is a member that determines the aperture angle of the primary electron beam B1 in the objective lens 118, and has a hole through which the primary electron beam B1 passes.
  • the adjustment knob 107 is used to adjust the center position of the diaphragm 106.
  • the upper deflector 108 and the lower deflector 109 deflect the primary electron beam B1 to scan the sample 120.
  • the objective lens 118 is a lens that focuses the deflected primary electron beam B1, and has a rotationally symmetrical magnetic pole 116 and an objective lens coil 117.
  • the magnetic field generated by the current flowing through the objective lens coil 117 narrows the primary electron beam B1.
  • the sample stage 121 holds the sample 120 and controls the position and orientation of the sample 120. That is, the sample stage 121 moves the sample 120 horizontally or vertically, or rotates the sample 120 with the vertical direction as the rotation axis.
  • a power supply 124 that applies voltage to the sample stage is connected to the sample stage 121, and a negative voltage of, for example, 3000 V is applied to the sample stage 121.
  • An electric field is created that slows down B1 (retarding method).
  • secondary electrons and backscattered electrons are emitted from the point S.
  • the generation mechanisms of secondary electrons and backscattered electrons are different.
  • Secondary electrons are electrons that are excited from atoms that make up the sample due to inelastic scattering of primary electrons within the sample
  • backscattered electrons are electrons that are excited by the atoms that make up the sample due to inelastic scattering of primary electrons within the sample. These are electrons that are backscattered during the scattering process. Therefore, secondary electrons are, for example, electrons whose energy is less than 100 eV, and reflected electrons are, for example, electrons whose energy is 100 eV or more.
  • FIG. 2 shows a secondary electron emission vector 201 emitted from the trench 200.
  • FIG. 2 also shows definitions of the elevation angle 202 and azimuth angle 203 of secondary electrons.
  • the elevation angle 202 is an angle measured from the Z axis of the secondary electron emission vector 201
  • the azimuth angle 203 is an angle measured from the X axis of a line segment 206 that is a projection of the secondary electron emission vector 201 onto the XY plane.
  • the secondary electrons are emitted with a distribution approximated by a cosine function with respect to the elevation angle, and with an isotropic distribution with respect to the azimuth angle.
  • the electric field that decelerated the primary electron beam B1 accelerates the secondary electrons 122 while pulling them into the path of the objective lens 118.
  • the secondary electrons 122 pulled up into the passage travel toward the electron gun 101 while drawing a spiral trajectory under the action of the magnetic field of the objective lens 118, and reach the Wien filter 114.
  • the detailed structure of the Wien filter 114 and discrimination of secondary electrons will be described later, but the principle of secondary electron image generation will be described here.
  • the secondary electrons 122 that have reached the Wien filter 114 collide with the upper electron conversion electrode 141.
  • tertiary electrons 123 are emitted from the electron conversion electrode 141.
  • the tertiary electrons 123 are secondary electrons based on the generation mechanism, in order to avoid confusion with the secondary electrons emitted from the sample 120, here we will focus on secondary electrons originating from the secondary electrons 122 emitted from sources other than the sample 120. Electrons are called tertiary electrons.
  • the tertiary electrons 123 are deflected toward the detector 110 by the electric field 134 and magnetic field 133 in the Wien filter 114. Note that although the electric field 134 and the magnetic field 133 also act on the primary electron beam B1, the effects of both cancel each other out, so that the primary electron beam B1 travels straight.
  • the detector 110 is a detector that detects the tertiary electrons 123 deflected by the Wien filter 114, and includes a fluorescent screen 111 and a photomultiplier tube 112.
  • the fluorescent screen 111 is a flat plate that emits light upon incidence of tertiary electrons 123, and is a detection surface of the detector 110.
  • the photomultiplier tube 112 outputs an electrical signal by amplifying photoelectrons generated by light emission from the fluorescent screen 111. That is, the detector 110 transmits a detection signal corresponding to the amount of tertiary electrons 123 incident on the fluorescent screen 111 to the control device 150.
  • the control device 150 generates a secondary electron image of the sample based on the received detection signal.
  • the generated secondary electron image is displayed on the display 151 or stored in the storage device 152.
  • FIG. 3A is a sectional view seen from the side
  • FIG. 3B is a sectional view seen from the plane.
  • An electron conversion electrode 141 with which the secondary electrons 122 collide is arranged above the Wien filter 114.
  • this electron conversion electrode 141 is radially divided into eight pieces.
  • the electrodes are electrically insulated from each other, and separation grooves are provided between adjacent electrodes so that each divided electrode can be switched independently between application of a positive voltage, application of a negative voltage, or ground potential. Further, there is a gap in the center of the electron conversion electrode 141, through which the primary electron beam B1 passes.
  • the Wien filter 114 includes a first electrode 142, a second electrode 143, a third electrode 144, and a coil 113.
  • the first electrode 142 is an electrode through which tertiary electrons generated in the electron conversion electrode 141 can pass.
  • a grid electrode, a mesh electrode, or the like may be used to provide an electrode through which electrons can pass.
  • the second electrode 143 and the third electrode 144 are arranged so as to face the detector 110 and the third electrode 144 is located outside the second electrode 143.
  • the second electrode 143 is an electrode through which electrons reflected by the secondary electrons 122 colliding with the electron conversion electrode 141 can pass through.
  • Positive 50V is applied to the first electrode 142, the second electrode 143 is at ground potential, and positive 30V is applied to the third electrode 144. Furthermore, a magnetic field is generated by passing a current of about 1 A through the coil 113. As mentioned earlier, the electromagnetic forces of the electric field 134 formed by the first electrode 142 and the second electrode 143 and the magnetic field 133 formed by the coil 113 cancel each other out with respect to the primary electron beam B1. . Therefore, the primary electron beam B1 traveling from the electron gun 101 toward the sample 120 travels straight. On the other hand, the electric field 134 and the magnetic field 133 act on the tertiary electrons 123 emitted from the electron conversion electrode 141 so as to deflect them toward the detector 110 .
  • the Wien filter 114 has a housing 145 in which electrodes and the like are housed and fixed. Insulators, fixing screws, etc. are also present within the housing 145, but are not shown.
  • FIG. 4 schematically shows how secondary electrons 210 are emitted from the bottom of the trench 200 (trench bottom 204) and the outer surface of the trench (trench top 205).
  • the secondary electrons 210 emitted from the trench bottom 204 the secondary electrons 211 that collide with the side surfaces of the trench disappear and are not detected.
  • the number of secondary electrons emitted from the trench top 205 is greater than the number of secondary electrons emitted from the trench bottom 204. Therefore, in the secondary electron image, the trench top appears bright and the trench bottom appears dark.
  • the aspect ratio of the trench 200 is large, that is, when the depth of the trench is large relative to the width of the trench, the bottom of the trench becomes much darker than the top of the trench, and the visibility of fine structures and foreign substances at the bottom of the trench becomes poor.
  • the electron conversion electrode 141 of the Wien filter is radially divided into eight pieces.
  • a power supply is connected to each of the divided electrodes constituting the electron conversion electrode 141, and the control device 150 sets some of the divided electrodes to the ground potential or applies a negative voltage, and some of the divided electrodes Apply positive voltage.
  • tertiary electrons emitted from the divided electrodes to which a positive voltage has been applied are not detected because they are pulled back to the electron conversion electrode 141 by the electric field. Thereby, the secondary electrons to be detected can be discriminated based on the position of the secondary electrons colliding with the electron conversion electrode 141.
  • the inventor focused on the trajectory of the secondary electrons 122 emitted from the sample 120. Assuming the energy distribution, emission angle distribution, emission azimuth angle distribution, etc. of the secondary electrons, the electron trajectory from the sample 120 to the electron conversion electrode 141 of the Wien filter 114 can be determined. Therefore, the collision position of the secondary electrons 122 on the electron conversion electrode 141 can be determined.
  • FIG. 5A shows the impact position 301 of secondary electrons on the electron conversion electrode when 10,000 secondary electrons are emitted from the trench top. It can be seen that the collision positions of the secondary electrons from the trench top spread concentrically from the center of the electron conversion electrode. The radially extending regions where no secondary electron collisions are observed correspond to the separation grooves between the divided electrodes.
  • the secondary electrons displayed in FIG. 5A are the secondary electrons that can be detected by the detector 110, and when the number of secondary electrons colliding with the electron conversion electrode was counted, it was about 6,500.
  • FIG. 5B shows the impact position 302 of secondary electrons on the electron conversion electrode when 10,000 secondary electrons are emitted from the trench bottom when the trench aspect ratio is 5. It can be seen that the collision positions of secondary electrons from the trench bottom are distributed in a long and narrow ellipse. The long axis direction of the ellipse is inclined clockwise by about 40 degrees from the Y axis. This is because the secondary electrons 122 are rotated by the magnetic field of the objective lens 118. The number of secondary electrons colliding with the electron conversion electrode was approximately 500 when counted. Therefore, the ratio of 500 secondary electrons emitted from the trench bottom to 6500 secondary electrons emitted and detected from the trench top, that is, the BT ratio is approximately 0.08.
  • the electron conversion electrodes with which the secondary electrons from the trench bottom collide with each other are the divided electrodes 2 and 6 of the electron conversion electrode 141. Therefore, among the electron conversion electrodes 141, divided electrodes 2 and 6 are set to the ground potential, and a positive voltage of 60 V is applied to the other six divided electrodes, that is, divided electrodes 1, 3, 4, 5, 7, and 8. . In this case, while the secondary electrons that collided with the divided electrodes 2 and 6 are detected, the secondary electrons that collided with the other six divided electrodes are not detected. In this way, by dividing the electron conversion electrode radially and making the divided electrodes facing each other have substantially the same potential, azimuth angle discrimination suitable for observing the trench bottom can be performed.
  • the secondary electrons from the trench top are shown in FIG. 6A
  • the secondary electrons from the trench bottom are shown in FIG. 6B.
  • 6A and 6B respectively extract and display the collision positions of secondary electrons on the divided electrodes 2 and 6 from FIGS. 5A and 5B.
  • the BT ratio in this case is approximately 0.3.
  • the BT ratio can be improved.
  • FIG. 7A when the secondary electrons 122 collide with the electron conversion electrode 141, backscattered electrons 160 are also emitted, and when the backscattered electrons 160 collide with the third electrode 144, tertiary electrons 161 are emitted. will be released.
  • the secondary electrons emitted from the trench bottom almost do not collide with the divided electrodes to which a positive voltage is applied, whereas the secondary electrons emitted from the trench top do not collide with the divided electrodes to which a positive voltage is applied. There have also been many collisions.
  • FIG. 7B shows a case where the second electrode 143 is at ground potential and a positive voltage of +30V is applied to the third electrode 144.
  • a power source 162 that applies a positive voltage is connected to the third electrode 144 .
  • secondary electrons 122 generated in the sample collide with the electron conversion electrode 141 and reflected electrons 160 are emitted and collide with the third electrode 144 and tertiary electrons 161 are generated.
  • the electric field between the electrode 143 and the third electrode 144 to which a positive voltage of +30V is applied causes it to be pulled back toward the third electrode 144, absorbed by the third electrode 144, and disappears. Therefore, in the scanning electron microscope image in this case, the BT ratio approaches 0.3. That is, compared to the case of FIG. 7A, the trench top is relatively dark, and the visibility of the trench bottom is improved.
  • the voltage applied to the third electrode 144 be switchable between application of a positive voltage, application of a negative voltage, or ground potential.
  • a positive voltage may be applied to the third electrode 144 all the time. In this case, although the observation of the sample surface becomes somewhat dark, a low-cost apparatus can be provided because a power supply and switching system are not required.
  • Example 2 the electron conversion electrode 141 is concentrically divided into two parts. Note that the same reference numerals are used for the same configurations and functions as those described in the first embodiment, and the description thereof will be omitted.
  • FIG. 8A is a sectional view seen from the side
  • FIG. 8B is a sectional view seen from the plane.
  • An electron conversion electrode 141 with which the secondary electrons 122 collide is arranged above the Wien filter 114.
  • the electron conversion electrode 141 is divided into two parts concentrically.
  • the divided electrodes are electrically insulated from each other, and a concentric separation groove is provided between the two electrodes so that the application of a positive voltage, the application of a negative voltage, or the ground potential can be switched independently to each of the divided electrodes. ing.
  • a beam guide 146 which is a hollow pipe electrode, is arranged at the center of the electron conversion electrode 141 so as to penetrate through the electron conversion electrode 141, and the primary electron beam B1 passes through it. Both the beam guide 146 and the electron conversion electrode 141 are electrically insulated by concentric separation grooves.
  • the beam guide 146 is at ground potential and is provided to shield the primary electron beam B1 from an electric field generated by applying a voltage to the electron conversion electrode 141. Thereby, distortion of the primary electron beam B1 can be reduced.
  • a pipe-shaped electrode with a circular cross section is illustrated here as the beam guide 146, it may be a cylindrical electrode with a polygonal cross-section, and is not limited to a pipe electrode.
  • a pipe shape having an annular cross section is suitable for placement at the center of the electron conversion electrode 141 divided into concentric circles.
  • the beam guide does not need to be at ground potential, and for example, a low voltage within a range that does not significantly affect the primary electron beam may be applied to the beam guide 146.
  • the Wien filter 114 of this embodiment has a first electrode 142, a second electrode 143, and a third electrode 144 similar to those of the first embodiment. Note that since the beam guide 146 is at ground potential, tertiary electrons are also emitted from the end surface E of the beam guide. That is, the beam guide also becomes an electron conversion electrode. Due to the electric field formed by the first electrode 142 and the second electrode 143, tertiary electrons emitted from the electron conversion electrode 141 and the end surface E of the beam guide 146 are deflected toward the detector 110.
  • a fourth electrode 147 through which secondary electrons and tertiary electrons can pass is provided below the electron conversion electrode 141.
  • Fourth electrode 147 is at ground potential.
  • FIGS. 9A and 9B show the behavior of secondary electrons, reflected electrons, and tertiary electrons when the divided electrode 141a near the center is set to the ground potential and a positive voltage is applied to the divided electrode 141b far from the center.
  • the tertiary electrons 123 emitted from the divided electrode 141a set to the ground potential head toward the detector 110.
  • the tertiary electrons 148 emitted from the divided electrode 141b to which a positive voltage has been applied are pulled back to the divided electrode 141b by the electric field between the divided electrode 141b and the fourth electrode 147, and are no longer detected.
  • the pullback electric field received by the tertiary electrons 148 emitted from the divided electrode 141b to which a positive voltage is applied is strengthened, and the tertiary electrons 148 are no longer detected reliably, so that secondary electron discrimination can be performed. This has the effect of improving detection accuracy.
  • the third electrode 144 is set to the ground potential, and as in Example 1 (FIG. 7A), the tertiary electrons 161 emitted from the third electrode 144 are transferred to the second electrode 143 and further to the first electrode. By passing through the electrode 142 and reaching the detector 110, the accuracy of secondary electron discrimination is reduced.
  • a positive voltage of +30V is applied to the third electrode 144 by the power supply 162. In this case, the tertiary electrons 161 are pulled back to the third electrode 144 by the electric field between the second electrode 143 and the third electrode 144 and are not detected. This improves the accuracy of secondary electron discrimination.
  • the collision position on the beam guide 146 and the electron conversion electrode 141 can be determined from the electron trajectory analysis results of the secondary electrons emitted from the sample.
  • FIG. 10A shows the collision position 303 of the secondary electrons on the beam guide and the electron conversion electrode when 10,000 secondary electrons are emitted from the trench top.
  • the collision positions are divided into three areas and distributed concentrically. From the center, these are a region that collided with the beam guide 146, a region that collided with the divided electrode 141a, and a region that collided with the divided electrode 141b.
  • FIG. 10A shows the collision position 303 of the secondary electrons on the beam guide and the electron conversion electrode when 10,000 secondary electrons are emitted from the trench top.
  • the collision positions are divided into three areas and distributed concentrically. From the center, these are a region that collided with the beam guide 146, a region that collided with the divided electrode 141a, and a region that collided with the divided electrode 141b.
  • 10B shows the collision position 304 of the secondary electrons on the beam guide and the electron conversion electrode when 10,000 secondary electrons are emitted from the trench bottom when the aspect ratio of the trench is 5.
  • the collision positions are distributed in an elliptical shape, and the long axis direction of the ellipse is inclined clockwise by about 40 degrees from the Y axis. In this case as well, the distribution of collision positions is divided into three regions, starting from the center: the region where the beam guide 146 collided, the region where the beam collided with the divided electrode 141a, and the region where it collided with the divided electrode 141b.
  • the BT ratio is approximately 0.08.
  • a positive voltage of +50V is applied to the divided electrode 141b and a positive voltage of +30V is applied to the third electrode 144, secondary electrons colliding with the beam guide 146 or the divided electrode 141a are detected.
  • . 11A and 11B show the collision positions of secondary electrons on the beam guide and the divided electrode 141a extracted from FIGS. 10A and 11B, respectively.
  • the number of secondary electrons from the trench top was approximately 3,000, and the number of secondary electrons from the trench bottom was approximately 440. Therefore, the BT ratio is approximately 0.15. That is, by dividing the electron conversion electrode 141 into two parts in this way, applying a positive voltage to the outer divided electrode 141b, and applying a positive voltage to the third electrode 144, the BT ratio can be improved by about 2 times. can.
  • Example 3 shows an example in which the electron conversion electrode 141 is not divided and a beam guide 146 (pipe electrode) is placed in the center of the electron conversion electrode 141. Further, in Examples 1 and 2, an example is shown in which a Wien filter is used to direct the tertiary electrons toward the detector, but an electron deflector can also be used. Therefore, in the third embodiment, an example is shown in which an electronic deflector is used instead of the Wien filter. When using an electron deflector, the primary electron beam B1 is also deflected, but the deflection of the primary electron beam B1 by the electron deflector can be canceled by deflecting it back with a subsequent deflector. Note that configurations and functions similar to those described in Examples 1 and 2 will be designated by the same reference numerals and descriptions thereof will be omitted.
  • FIGS. 12A and 12B The detailed structure of the electron deflector 115 of Example 3 will be explained using FIGS. 12A and 12B.
  • the electron deflector 115 does not use a magnetic field and deflects electrons only using an electric field.
  • the Wien filter shown in Examples 1 and 2 may also be considered as a type of electronic deflector.
  • FIG. 12A is a sectional view seen from the side
  • FIG. 12B is a sectional view seen from the plane.
  • An electron conversion electrode 141 with which the secondary electrons 122 collide is arranged above the electron deflector 115.
  • a power source is connected to the undivided electron conversion electrode 141 so that a positive or negative voltage can be applied. It is independently switchable between ground potential and ground potential.
  • a beam guide 146 which is a hollow pipe electrode, is arranged at the center of the electron conversion electrode 141, through which the primary electron beam B1 passes.
  • the beam guide 146 and the electron conversion electrode 141 are electrically insulated by a concentric separation groove.
  • the beam guide 146 By setting the beam guide 146 to the ground potential, tertiary electrons are also emitted from the end surface E of the beam guide 146. That is, the beam guide also becomes an electron conversion electrode. Thereby, even if the electron conversion electrode 141 is not divided, it can be said that the electron conversion electrode 141 and the beam guide 146 are substantially provided with a plurality of electron conversion electrodes.
  • the electron deflector 115 of this embodiment includes a fourth electrode 147 similar to the second embodiment.
  • a fifth electrode 163 is provided which is arranged on the sample side with respect to the first electrode 142 and the second electrode 143.
  • the fifth electrode 163 is an electrode such as a grid electrode or a mesh electrode through which secondary electrons emitted from the sample can pass.
  • 13A and 13B show the behavior of secondary electrons, reflected electrons, and tertiary electrons when a positive voltage is applied to the electron conversion electrode 141 and the beam guide 146 is at ground voltage.
  • the tertiary electrons 148 emitted from the electron conversion electrode 141 are not detected because they are pulled back to the electron conversion electrode 141 due to the potential difference between the electron conversion electrode 141 and the fourth electrode 147 set to the ground potential.
  • the fourth electrode 147 strengthens the pull-back electric field applied to the tertiary electrons, so that the tertiary electrons are no longer detected reliably, and the accuracy of secondary electron discrimination and detection is improved.
  • tertiary electrons emitted from the end face of the beam guide 146 which is at ground potential, are detected.
  • the fifth electrode 163 is set to the ground potential.
  • tertiary electrons 161 generated when the secondary electrons 122 are reflected by the electron conversion electrode 141 and the electrons 160 collide with the inner wall of the housing 145 pass through the fifth electrode 163 and are detected.
  • secondary electrons colliding with the electron conversion electrode 141 to which a positive voltage has been applied will be detected as a result, reducing the accuracy of secondary electron discrimination.
  • FIG. 13B a negative voltage of -30V is applied to the fifth electrode 163 by the power supply 164.
  • the secondary electrons 122 are reflected by the electron conversion electrode 141 and the electrons 160 collide with the housing 145 to generate tertiary electrons 161, which are pulled back downward by the electric field between the fifth electrode 163 and the housing 145. , are not detected by the detector 110. That is, since secondary electrons colliding with the electron conversion electrode 141 to which a positive voltage is applied are not detected, the accuracy of secondary electron discrimination is improved compared to the case of FIG. 13A.
  • the collision position on the beam guide 146 and the electron conversion electrode 141 can be determined from the electron trajectory analysis results of the secondary electrons emitted from the sample.
  • FIG. 14A shows the collision position 305 of the secondary electrons on the beam guide and the electron conversion electrode when 10,000 secondary electrons are emitted from the trench top. The collision positions are distributed concentrically, and the collision position distribution is divided into two regions. From the center, these are the region that collided with the beam guide 146 and the region that collided with the electron conversion electrode 141.
  • FIG. 14B shows the impact position 306 of secondary electrons on the beam guide and electron conversion electrode when 10,000 secondary electrons are emitted from the trench bottom when the aspect ratio of the trench is 5.
  • the collision positions are distributed in an elliptical shape, and the long axis direction of the ellipse is inclined clockwise by about 40 degrees from the Y axis.
  • the distribution of collision positions is divided into two regions, from the center: the region where the beam collided with the beam guide 146 and the region where the beam collided with the electron conversion electrode 141.
  • the electron conversion electrode 141 and the beam guide 146 are set to the ground potential, almost all the secondary electrons are detected except for the secondary electrons that collided with the separation groove.
  • the number of secondary electrons from the trench top in FIG. 14A was about 9000, and the number of secondary electrons from the trench bottom in FIG. 14B was about 700. Therefore, the BT ratio is approximately 0.08.
  • the BT ratio is approximately 0.18. That is, by applying a positive voltage without dividing the electron conversion electrode 141 and applying a positive voltage to the third electrode 144, the BT ratio can be improved by about twice.
  • the voltage applied to the fifth electrode 163 be switchable between application of a negative voltage and ground potential.
  • a negative voltage may be constantly applied to the fifth electrode 163. In this case, although the observation of the sample surface becomes somewhat dark, a low-cost apparatus can be provided because a power supply and switching system are not required.
  • Embodiment 4 shows an example in which the electron conversion electrode 141 is divided radially into eight pieces and concentrically divided into two pieces, that is, the electron conversion electrode 141 is divided into 16 pieces. Further, an example will be shown in which an electron deflector (Wien filter) is constructed by regarding the casing of an electron microscope as a third electrode. Note that, in the fourth embodiment, the same configurations and functions as those described in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • FIG. 15A is a sectional view seen from the side
  • FIG. 15B is a sectional view seen from the plane.
  • An electron conversion electrode 141 with which the secondary electrons 122 collide is arranged above the Wien filter 114.
  • the electron conversion electrode 141 is divided radially into eight parts and concentrically into two parts, for a total of 16 parts.
  • a power supply is connected to each of the 16 divided electrodes so that positive or negative voltage can be applied, and it is possible to independently switch between application of positive voltage, application of negative voltage, or ground potential. ing.
  • a beam guide 146 which is a hollow pipe electrode, is arranged at the center of the electron conversion electrode 141, through which the primary electron beam B1 passes. Both the beam guide 146 and the electron conversion electrode 141 are electrically insulated by concentric separation grooves.
  • the Wien filter 114 of this embodiment is provided with a first electrode 142 and a second electrode 143, and the electron microscope casing 149 serves as the third electrode 144 of Examples 1 to 3.
  • FIG. 16 shows the detailed structure of the beam guide 146 and the electron conversion electrode 141.
  • the electron conversion electrode 141 is divided into 16 pieces.
  • the electron conversion electrode 141 is divided into divided electrodes 1 to 8 on the inside and divided into divided electrodes 9 to 16 on the outside.
  • a power supply is connected to each divided electrode, and switching is independently controlled by the control device 150 between application of a positive voltage, application of a negative voltage, or ground potential.
  • FIG. 17A shows secondary electrons when divided electrodes 2 and 6 of the electron conversion electrode 141 are set to ground potential, a positive voltage is applied to the other 14 divided electrodes, and the second electrode 143 is set to ground potential. , which shows the behavior of reflected electrons and tertiary electrons.
  • azimuth angle discrimination suitable for observing the trench bottom can be performed. In particular, this has the effect of simplifying voltage control.
  • the effect of suppressing distortion of the primary electron beam B1 by the beam guide 146 is particularly important. It is possible to prevent the voltage application to the electron conversion electrode 141 from distorting the primary electron beam B1 and deteriorating the observation resolution of the scanning electron microscope. For this reason, it is desirable that the end surface E of the beam guide 146 on the sample side be located at the same level as the fourth electrode 147 or closer to the sample side than the fourth electrode 147.
  • FIG. 17B shows the behavior of the secondary electrons, reflected electrons, and tertiary electrons when the power source 164 applies a negative voltage of ⁇ 30 V to the second electrode 143 from FIG. 17A.
  • the tertiary electrons 161 generated when the secondary electrons 122 are reflected by the electron conversion electrode 141 and the electrons 160 collide with the inner wall of the electron microscope housing 149 are transferred to the second electrode 143 and the electron microscope housing 149.
  • the electron beam is pulled back to the electron microscope housing 149 by the electric field between the electron beam and the electron beam, and is not detected by the detector 110. That is, the secondary electrons that collide with the divided electrodes of the electron conversion electrode 141 to which a positive voltage is applied are no longer detected, thereby improving the accuracy of secondary electron discrimination.
  • the azimuth angle discrimination of the first embodiment and the elevation angle discrimination of the second embodiment can be implemented in a hybrid manner. Therefore, it is possible to further improve the BT ratio.
  • the collision position on the beam guide 146 and the electron conversion electrode 141 can be determined from the electron trajectory analysis results of the secondary electrons emitted from the sample.
  • FIG. 18A shows the collision position 307 of the secondary electrons on the beam guide and the electron conversion electrode when 10,000 secondary electrons are emitted from the trench top. The collision positions are distributed concentrically, and the collision position distribution is divided into 17 regions. From the center, these are the area that collided with the beam guide 146 and the area that collided with the divided electrodes 1 to 16.
  • FIG. 18B shows the impact position 308 of secondary electrons on the beam guide and electron conversion electrode when 10,000 secondary electrons are emitted from the trench bottom when the aspect ratio of the trench is 5.
  • the collision positions are distributed in an elliptical shape, and the long axis direction of the ellipse is inclined clockwise by about 40 degrees from the Y axis.
  • the distribution of collision positions is divided into five regions, starting from the center: the region that collided with the beam guide 146, the region that collided with the divided electrodes 2 and 6, and the region that collided with the divided electrodes 10 and 14. .
  • the BT ratio is approximately 0.08.
  • the beam guide 146 or the divided electrodes 2 and 6 Colliding secondary electrons are detected.
  • 19A and 19B show the collision positions of secondary electrons on the beam guide and the divided electrodes 2 and 6 extracted from FIGS. 18A and 18B, respectively.
  • the number of secondary electrons from the trench top was approximately 800, and the number of secondary electrons from the trench bottom was approximately 350. Therefore, the BT ratio is approximately 0.44.
  • the BT ratio is improved by about 5 times.
  • the voltage applied to the second electrode 143 be switchable between application of a negative voltage and ground potential. As described above, when applying a negative voltage to the second electrode 143, the visibility of the trench bottom can be improved. Conversely, when the second electrode 143 is set to the ground potential, it is possible to obtain a bright image of an object to be observed with less unevenness.
  • FIG. 20 shows a secondary electron image 181 when all electron conversion electrodes are at ground potential, and a secondary electron image 181 when all electron conversion electrodes are at ground potential, and when a positive voltage is applied to some or all of the electron conversion electrodes as shown in Examples 1 to 4.
  • a secondary electron image 182, an indicator 183, an electron conversion electrode voltage switch 184, etc. when the voltage is applied are displayed.
  • the second electrode 143 in conjunction with the application of a positive voltage to the electron conversion electrode, the second electrode 143 (example 4), the third electrode 144 (examples 1 to 3), It is desirable to control the voltage applied to the fifth electrode 163 (Example 3) at the same time.
  • the secondary electron image 181 and the secondary electron image 182 are both images generated based on the detection signal transmitted from the detector 110.
  • the electron conversion electrode voltage switch 184 since the electron conversion electrode voltage switch 184 is in the ON state, the secondary electron image 182 when a positive voltage is applied to the electron conversion electrode is a real-time image.
  • the secondary electron image 181 an image acquired and stored in the past is displayed.
  • the trench top 185 is observed brightly, but the trench bottom 186 is completely dark and is not observed.
  • the trench bottom 186 is observed to be bright because the trench top 185 has become relatively dark. Therefore, the foreign matter 187 at the trench bottom can be visually recognized.
  • the secondary electron image 181 is an image suitable for observing the trench top
  • the secondary electron image 182 is an image suitable for observing the trench bottom. Depending on the purpose of observation, images may be switched and observed. Moreover, by observing while comparing two images in this way, it is possible to better understand the sample structure.
  • a plurality of embodiments of the electron microscope of the present invention have been described above.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the gist of the invention.
  • the plurality of constituent elements disclosed in the above embodiments can be combined as appropriate as long as there is no contradiction in the combination.
  • some components may be deleted from all the components shown in the above embodiments.
  • Electron microscope 101... Electron gun, 102... Extracting electrode, 104... Anode, 105... Focusing lens, 106... Aperture, 107... Adjustment knob, 108... Upper deflector, 109... Lower deflector, 110... Detector , 111... Fluorescent screen, 112... Photomultiplier tube, 113... Coil, 114... Wien filter, 115... Electron deflector, 116... Magnetic pole, 117... Objective lens coil, 118... Objective lens, 120... Sample, 121... Sample stage , 122... Secondary electron, 123... Tertiary electron, 124... Power supply, 133... Magnetic field, 134... Electric field, 141... Electron conversion electrode, 142...
  • Trench top 186...Trench bottom, 187...Foreign object, 200...Trench, 201...Secondary electron emission vector, 202...Elevation angle, 203...Azimuth angle, 204...Trench bottom, 205...Trench top, 210, 211...Secondary electron, 301, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 308...Collision position.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

一次電子線が照射されることにより試料から放出される二次電子が衝突するよう配置される電子変換電極（１４１）と、互いに対向して配置され、電子が透過可能な第１の電極（１４２）及び第２の電極（１４３）と、第２の電極（１４３）を挟んで第１の電極（１４２）と対向して配置される第３の電極（１４４）とを備えた偏向器（１１４）を有し、電子変換電極（１４１）は、複数の分割電極に分割されており、第３の電極（１４４）の電位は、第２の電極（１４３）の電位に対して正の電位差とされている。

Description

走査電子顕微鏡及び試料観察方法
　本発明は、走査電子顕微鏡及びそれを用いた試料観察方法に関する。
　電子顕微鏡は、電子線を照射して試料の表面または内部を拡大観察する装置である。特に、走査電子顕微鏡では、電子線を走査して試料から放出される二次電子または反射電子を輝度信号として電子顕微鏡像を得る。
　ところで、走査電子顕微鏡は半導体デバイスの開発・製造・解析の現場で不可欠の装置として用いられている。近年では半導体デバイスは高度に微細化されており、三次元化も進んでいる。このため、アスペクト比が高いトレンチ部を走査電子顕微鏡で観察したいというニーズが増大している。
　電子顕微鏡に角度弁別機能をもたせ、信号電子を放出角度に応じて検出させることにより、電子顕微鏡像の形状コントラストあるいは陰影コントラストを向上させることが知られている。例えば、特許文献１には、各々独立に電圧を印加できる分割領域により構成され、二次電子ないし反射電子を衝突させて三次電子を発生させるための金属板を備える走査電子顕微鏡が開示される。
特開２０１２－３９０９号公報
　トレンチのボトムから発生した二次電子の多くはトレンチの側壁に衝突して消滅することにより、トレンチの外部へ脱出して検出可能となる二次電子の個数は少なくなる。一方で、トレンチの脇（トレンチトップ）から放出される二次電子のほとんどは検出可能である。このため、走査電子顕微鏡では、トレンチを観察すると、トレンチの底が暗く観察されてしまう。
　アスペクト比が高いトレンチ部におけるトレンチボトムを観察するためには、トレンチボトムからの二次電子検出数を減らすことなく、トレンチトップからの二次電子検出数を減らせればよい。すなわち、トレンチトップからの二次電子検出数（Ｔ）に対するトレンチボトムからの二次電子検出数（Ｂ）の比率、ＢＴ比を大きくすればよい。このためには、二次電子の放出角度を制限して検出すればよい。
　トレンチボトムからの二次電子信号に比較して、トレンチトップからの二次電子信号が十分に低くなっていなければ、トレンチボトムの微細構造の寸法を計測したり、異物を観察したりすることが困難となるところ、特許文献１ではトレンチボトムの視認性を向上させるために、トレンチトップからの二次電子信号を低減させることについては十分には配慮されていない。
　本発明では、アスペクト比が高いトレンチ部においても、トレンチボトムの微細構造の寸法を計測したり、異物を観察したりするのに好適な走査電子顕微鏡を提供することを目的とする。
　本発明の一実施の形態である走査電子顕微鏡は、電子源と、電子源から放出された一次電子線を試料に集束させる対物レンズと、電子源と対物レンズとの間に、少なくとも電場を用いて電子を偏向させる偏向器と、試料を搭載するステージと、ステージに一次電子線を減速させる電圧を印加する電源と、電子を検出する検出器と、制御装置とを有し、偏向器は、一次電子線が照射されることにより試料から放出される二次電子が衝突するよう配置される電子変換電極と、互いに対向して配置され、電子が透過可能な第１の電極及び第２の電極と、第２の電極を挟んで第１の電極と対向して配置される第３の電極とを備え、検出器は、電子変換電極に試料から放出される二次電子が衝突することにより放出され、第１の電極を透過した三次電子を検出し、電子変換電極は、複数の分割電極に分割されており、制御装置は、第３の電極の電位を第２の電極の電位に対して正の電位差とする。
　トレンチボトムの微細構造の寸法を計測したり、異物を観察したりするのに好適な走査電子顕微鏡を提供する。
　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。
電子顕微鏡の全体構成の一例を示す図である。 トレンチから放出される二次電子放出ベクトルを示す図である。 実施例１のウィーンフィルタの側方から見た断面図である。 実施例１のウィーンフィルタの平面方向から見た断面図である。 トレンチボトム及びトレンチトップから二次電子が放出される様子を模式的に示す図である。 二次電子の電子変換電極への衝突位置を示す図である。 二次電子の電子変換電極への衝突位置を示す図である。 二次電子の電子変換電極への衝突位置を示す図である。 二次電子の電子変換電極への衝突位置を示す図である。 実施例１における二次電子、反射電子、三次電子の振る舞いを示す図である。 実施例１における二次電子、反射電子、三次電子の振る舞いを示す図である。 実施例２のウィーンフィルタの側方から見た断面図である。 実施例２のウィーンフィルタの平面方向から見た断面図である。 実施例２における二次電子、反射電子、三次電子の振る舞いを示す図である。 実施例２における二次電子、反射電子、三次電子の振る舞いを示す図である。 二次電子のビームガイド及び電子変換電極への衝突位置を示す図である。 二次電子のビームガイド及び電子変換電極への衝突位置を示す図である。 二次電子のビームガイド及び電子変換電極への衝突位置を示す図である。 二次電子のビームガイド及び電子変換電極への衝突位置を示す図である。 実施例３の電子偏向器の側方から見た断面図である。 実施例３の電子偏向器の平面方向から見た断面図である。 実施例３における二次電子、反射電子、三次電子の振る舞いを示す図である。 実施例３における二次電子、反射電子、三次電子の振る舞いを示す図である。 二次電子のビームガイド及び電子変換電極への衝突位置を示す図である。 二次電子のビームガイド及び電子変換電極への衝突位置を示す図である。 実施例４のウィーンフィルタの側方から見た断面図である。 実施例４のウィーンフィルタの平面方向から見た断面図である。 実施例４のビームガイドと電子変換電極の詳細構造を示す図である。 実施例４における二次電子、反射電子、三次電子の振る舞いを示す図である。 実施例４における二次電子、反射電子、三次電子の振る舞いを示す図である。 二次電子のビームガイド及び電子変換電極への衝突位置を示す図である。 二次電子のビームガイド及び電子変換電極への衝突位置を示す図である。 二次電子のビームガイド及び電子変換電極への衝突位置を示す図である。 二次電子のビームガイド及び電子変換電極への衝突位置を示す図である。 走査電子顕微鏡のディスプレイに表示される画面の一例を示す図である。
　以下、添付図面に従って本発明に係る電子顕微鏡の実施例について説明する。電子顕微鏡は、電子線を試料に照射することによって試料を観察する装置である。
　図１を用いて実施例１の電子顕微鏡１００の全体構成について説明する。なお鉛直方向をＺ方向、水平方向をＸ方向及びＹ方向とする。電子顕微鏡１００は、主要な構成として、電子銃１０１、引出電極１０２、陽極１０４、集束レンズ１０５、絞り１０６、調整ノブ１０７、上側偏向器１０８、下側偏向器１０９、検出器１１０、ウィーンフィルタ１１４、対物レンズ１１８、試料台１２１、試料台に電圧を印加する電源１２４、制御装置１５０、ディスプレイ１５１、記憶装置１５２を備える。制御装置１５０は各部の動作等を制御する装置であり、例えばコンピュータである。記憶装置１５２には、各部の電圧、電流等の制御条件を定めた制御テーブル１５３が格納される。制御装置１５０は、記憶装置１５２から制御テーブル１５３を読み出して、制御テーブル１５３に定められた制御条件に基づいて各部を制御する。
　電子銃１０１は、電子を放出する電子源であり、例えば電界放出型陰極である。電子源には例えば４０００Ｖの負の電圧が印加される。引出電極１０２と陽極１０４は、電子銃１０１に対し正の電圧が印加される電極であり、電子銃１０１から放出される電子である一次電子線Ｂ１が通過する孔をそれぞれが有する。なお電子銃１０１に対する電圧の絶対値は、陽極１０４のほうが引出電極１０２よりも大きい。集束レンズ１０５は、一次電子線Ｂ１を集束させるレンズである。絞り１０６は、対物レンズ１１８における一次電子線Ｂ１の開き角を定める部材であり、一次電子線Ｂ１が通過する孔を有する。調整ノブ１０７は、絞り１０６の中心位置の調整に用いられる。上側偏向器１０８及び下側偏向器１０９は、一次電子線Ｂ１を偏向して試料１２０の上で走査させる。
　対物レンズ１１８は、偏向された一次電子線Ｂ１を集束させるレンズであり、回転対称な形状の磁極１１６と対物レンズコイル１１７とを有する。対物レンズコイル１１７に電流が流れることにより発生する磁場は、一次電子線Ｂ１を細束化させる。
　試料台１２１は試料１２０を保持するとともに、試料１２０の位置や姿勢を制御する。すなわち試料台１２１は、試料１２０を水平方向または鉛直方向に移動させたり、鉛直方向を回転軸として回転させたりする。試料台１２１には、試料台に電圧を印加する電源１２４が接続されており、例えば３０００Ｖの負の電圧が印加され、試料台１２１の上の試料１２０と対物レンズ１１８との間に一次電子線Ｂ１を減速させる電場が形成される（リターディング法）。
　減速された一次電子線Ｂ１が試料１２０の上のＳ点に照射されると、Ｓ点から二次電子と反射電子（後方散乱電子、backscattered electron）が放出される。二次電子と反射電子とは発生メカニズムが異なり、二次電子は一次電子の試料内での非弾性散乱によって試料を構成する原子から励起された電子であり、反射電子は照射された一次電子が散乱の過程で後方散乱した電子である。このため、二次電子は例えばエネルギーが１００ｅＶ未満の電子であり、反射電子は例えばエネルギーが１００ｅＶ以上の電子である。
　図２に、トレンチ２００から放出される二次電子放出ベクトル２０１を示す。図２には、二次電子の仰角２０２および方位角２０３の定義も示している。仰角２０２は、二次電子放出ベクトル２０１のＺ軸から計測される角度であり、方位角２０３は二次電子放出ベクトル２０１をＸＹ面に投影した線分２０６のＸ軸から計測される角度である。二次電子は、仰角に対してはコサイン関数で近似される分布で、方位角に対しては等方的な分布で放出される。
　図１の説明に戻る。一次電子線Ｂ１を減速させた電場は、二次電子１２２を加速させながら、対物レンズ１１８の通路内に引き上げる。通路内に引き上げられた二次電子１２２は対物レンズ１１８の磁場の作用を受けて螺旋軌道を描きながら電子銃１０１の側に向かって進み、ウィーンフィルタ１１４に到達する。
　ウィーンフィルタ１１４の詳細構造と二次電子の弁別については後述することとして、ここでは、二次電子像生成の原理について説明する。ウィーンフィルタ１１４に到達した二次電子１２２は上部の電子変換電極１４１に衝突する。二次電子１２２が電子変換電極１４１に衝突した際に、電子変換電極１４１からは三次電子１２３が放出される。三次電子１２３は発生メカニズムからは二次電子であるが、ここでは、試料１２０から放出された二次電子との混同を避けるため、試料１２０以外から放出される、二次電子１２２起因の二次電子を三次電子と呼ぶ。
　電子変換電極１４１が接地電位の場合には、三次電子１２３は、ウィーンフィルタ１１４内の電場１３４と磁場１３３によって検出器１１０方向に偏向される。なお、電場１３４と磁場１３３とは一次電子線Ｂ１にも作用するものの、両者の作用が打ち消し合うことによって一次電子線Ｂ１は直進する。
　検出器１１０は、ウィーンフィルタ１１４によって偏向された三次電子１２３を検出する検出器であり、蛍光板１１１、光電子増倍管１１２を有する。蛍光板１１１は、三次電子１２３の入射により発光する平板であって、検出器１１０の検出面である。光電子増倍管１１２は、蛍光板１１１の発光によって生じる光電子を増幅させた電気信号を出力する。すなわち検出器１１０は、蛍光板１１１に入射した三次電子１２３の量に応じた検出信号を制御装置１５０へ送信する。制御装置１５０は受信した検出信号に基づいて試料の二次電子像を生成する。生成された二次電子像は、ディスプレイ１５１に表示されたり、記憶装置１５２に格納されたりする。
　図３Ａ，Ｂを用いてウィーンフィルタ１１４の詳細構造を説明する。図３Ａは側方から見た断面図、図３Ｂは平面方向から見た断面図である。ウィーンフィルタ１１４の上部には二次電子１２２が衝突する電子変換電極１４１が配置されている。本実施例では、この電子変換電極１４１は放射状に８個に分割されている。分割された各々の電極に独立して正電圧の印加と、負電圧の印加または接地電位との間で切り換えられるよう、互いに電気絶縁され、隣り合う電極間には分離溝が設けられている。また、電子変換電極１４１の中央には隙間があり、一次電子線Ｂ１が通過する。
　ウィーンフィルタ１１４は、第１の電極１４２、第２の電極１４３、第３の電極１４４とコイル１１３とを有している。第１の電極１４２は、電子変換電極１４１で発生した三次電子が透過可能な電極である。電子が透過可能な電極とするためには、例えば、グリッド電極、メッシュ電極などを用いればよい。第２の電極１４３及び第３の電極１４４は検出器１１０と対向し、かつ第３の電極１４４が第２の電極１４３の外側に位置するように配置されている。第２の電極１４３は、二次電子１２２が電子変換電極１４１に衝突して反射した電子が透過可能な電極である。
　第１の電極１４２には正の５０Ｖが印加され、第２の電極１４３は接地電位とされ、第３の電極１４４には正の３０Ｖが印加される。さらに、コイル１１３には１Ａ程度の電流が流されることにより磁場を発生させる。前に述べたように、第１の電極１４２と第２の電極１４３とによって形成される電場１３４とコイル１１３によって形成される磁場１３３とは、一次電子線Ｂ１に対してその電磁力が打ち消し合う。このため、電子銃１０１から試料１２０方向に進む一次電子線Ｂ１は直進する。一方で、電場１３４及び磁場１３３は、電子変換電極１４１から放出された三次電子１２３に対しては、検出器１１０方向へ偏向するように作用する。
　なお、ウィーンフィルタ１１４にはハウジング１４５があり、電極などが納められ固定される。絶縁物や固定ネジなどもハウジング１４５内にはあるが図示はされていない。
　図４に、トレンチ２００の底（トレンチボトム２０４）と、トレンチの外側表面（トレンチトップ２０５）から二次電子２１０が放出される様子を模式的に示す。トレンチボトム２０４から放出された二次電子２１０のなかで、トレンチ側面に衝突する二次電子２１１は消滅するため検出されない。この結果、トレンチボトム２０４から放出される二次電子数に比べて、トレンチトップ２０５から放出される二次電子数の方が多くなる。このため、二次電子像では、トレンチトップが明るく、トレンチボトムが暗く観察される。トレンチ２００のアスペクト比が大きい、すなわち、トレンチ幅に対するトレンチ深さが大きい場合には、トレンチボトムはトレンチトップに比べてとても暗くなり、トレンチボトムの微細な構造や異物の視認性は悪くなる。
　本実施例では、ウィーンフィルタの電子変換電極１４１を放射状に８個に分割している。電子変換電極１４１を構成する分割電極のそれぞれには電源が接続されており、制御装置１５０によって、一部の分割電極は接地電位とするか、負電圧を印加し、一部の分割電極には正電圧を印加する。接地電位または負電位とした分割電極から放出された三次電子は検出器に向かう。一方で、正電圧を印加した分割電極から放出された三次電子は、その電場により電子変換電極１４１に引き戻されるため検出されない。これにより、電子変換電極１４１への二次電子衝突位置によって検出する二次電子を弁別することができる。
　ここで、発明者は試料１２０から放出される二次電子１２２の軌道に着目した。二次電子のエネルギー分布、放出仰角分布、放出方位角分布などを仮定すれば、試料１２０からウィーンフィルタ１１４の電子変換電極１４１までの電子軌道を求めることができる。したがって、二次電子１２２の電子変換電極１４１上の衝突位置を求めることができる。
　図５Ａに、トレンチトップから１００００個の二次電子が放出された場合における、二次電子の電子変換電極への衝突位置３０１を示す。トレンチトップからの二次電子の衝突位置は、電子変換電極の中心から同心円状に広がっていることがわかる。二次電子の衝突が見られない、放射状に延びる領域は、分割電極間の分離溝に対応している。図５Ａに表示された二次電子が検出器１１０で検出可能な二次電子であり、電子変換電極に衝突する二次電子を計数すると、約６５００個であった。
　図５Ｂに、トレンチのアスペクト比が５の場合にトレンチボトムから１００００個の二次電子が放出された場合における、二次電子の電子変換電極への衝突位置３０２を示す。トレンチボトムからの二次電子の衝突位置は、細長い楕円状に分布していることがわかる。楕円の長軸方向はＹ軸から時計回りに約４０°傾斜している。これは、二次電子１２２が対物レンズ１１８の磁場で回転作用を受けるからである。電子変換電極に衝突する二次電子を計数すると約５００個であった。したがって、トレンチトップから放出されて検出される二次電子数６５００個に対して、トレンチボトムから放出された二次電子数５００個の比、すなわちＢＴ比は約０．０８となる。
　さて、トレンチボトムからの二次電子が衝突する割合の大きい電子変換電極は、図５Ｂと図３Ｂとを対照すると、電子変換電極１４１の分割電極２と分割電極６である。そこでで、電子変換電極１４１のうち分割電極２，６は接地電位として、他の６個の分割電極、すなわち分割電極１，３，４，５，７，８には、正電圧６０Ｖを印加する。この場合、分割電極２，６に衝突した二次電子は検出される一方、他の６個の分割電極に衝突した二次電子は検出されなくなる。このように、電子変換電極を放射状に分割して、互いに向かい合う分割電極を略同電位とすることにより、トレンチボトムを観察するのに好適な方位角弁別が行える。
　このように、分割電極２，６のみを接地電位とした場合に検出可能な二次電子について、トレンチトップからの二次電子を図６Ａに、トレンチボトムからの図６Ｂに示す。図６Ａ，Ｂはそれぞれ、図５Ａ，Ｂから分割電極２，６への二次電子の衝突位置を抽出して表示したものである。トレンチトップからの二次電子を計数すると、弁別する前の約１／４となって約１６００個であった。一方、トレンチボトムからの二次電子を計数すると、弁別する前とほぼ同じであって約５００個であった。この場合のＢＴ比は約０．３となる。このように、試料から放出される二次電子を方位角弁別することによって、検出器１１０で検出されるトレンチトップからの二次電子数が減少する一方でトレンチボトムからの二次電子数はほぼ同じとなることで、ＢＴ比を向上させることができる。
　ところで、図７Ａに示すように、二次電子が電子変換電極１４１に衝突することにより反射電子１６０が放出される。二次電子１２２はリターディング電圧によって加速されるため、二次電子１２２のエネルギーは電源１２４から試料１２０に印加される電圧と同等に高い。したがって、この反射電子１６０も高いエネルギーを持つ。反射電子１６０が第２の電極１４３を通過して第３の電極１４４に衝突すると、第３の電極１４４から三次電子１６１が放出される。図７Ａでは、第３の電極１４４は接地電位である。ここで、第２の電極１４３も接地電位であると、第３の電極１４４から放出された三次電子１６１は、第２の電極１４３、さらに第１の電極１４２を通過して検出器１１０に到達する。
　前に述べたように、電子変換電極１４１に正電圧が印加されることにより、二次電子１２２が電子変換電極１４１に衝突することにより放出される三次電子は、電子変換電極１４１に戻る。一方で、図７Ａに示したように、二次電子１２２が電子変換電極１４１に衝突することによって反射電子１６０をも放出し、反射電子１６０が第３の電極１４４に衝突することによって三次電子１６１を放出してしまう。ここで、トレンチボトムから放出される二次電子は正電圧が印加される分割電極にはほぼ衝突していないのに対し、トレンチトップから放出される二次電子は正電圧が印加される分割電極にも多数衝突している。
　この結果、電子変換電極１４１に正電圧を印加することによってトレンチトップから放出された二次電子の検出率を低下させようとしても、反射電子１６０が第３の電極１４４に衝突することによって発生する三次電子１６１を検出することによって、トレンチトップから放出された二次電子を検出することになってしまう。このことは、トレンチトップが相対的に明るくなり、トレンチボトムの視認性を低下させることになる。このように、図７Ａの場合、反射電子１６０由来の三次電子１６１が検出されることにより、理想的なＢＴ比である約０．３は実際には実現されない。
　図７Ｂに、第２の電極１４３は接地電位とし、第３の電極１４４に正電圧＋３０Ｖを印加した場合を示している。第３の電極１４４には正電圧を印加する電源１６２が接続されている。この場合、試料で発生した二次電子１２２が電子変換電極１４１に衝突して放出される反射電子１６０が第３の電極１４４に衝突して発生する三次電子１６１は、接地電位である第２の電極１４３と正電圧＋３０Ｖを印加した第３の電極１４４の間の電場によって、第３の電極１４４の方向に引き戻され、第３の電極１４４に吸収されて消滅する。したがって、この場合の走査電子顕微鏡像では、ＢＴ比が０．３に近づく。すなわち、図７Ａの場合に比べ、トレンチトップが相対的に暗くなり、トレンチボトムの視認性が向上する。
　これにより、トレンチボトムの微細構造の寸法を計測できたり、異物を観察できたりする走査電子顕微鏡を提供できる。また、トレンチボトムの微細構造や、トレンチ内の異物の画像を得ることができる。
　第３の電極１４４に印加する電圧は、正電圧の印加と、負電圧の印加あるいは接地電位との間で切り換え可能とすることが望ましい。前に述べたように、第３の電極１４４に正電圧を印加する場合には、トレンチボトムの視認性を向上させることができる。逆に、第３の電極１４４に負電圧を印加する、または接地電位とする場合には、試料表面の観察において明るい像を得ることができる。これに対して、第３の電極１４４に常時正の電圧を印加してもよい。この場合は、試料表面の観察において多少暗くはなるが、電源や切り換えのシステムが不要となるため低コストの装置が提供できる。
　また、本実施例では、電子変換電極１４１の分割電極の電位を独立して切り換え可能な例を説明したが、例えば特定の分割電極に対して正電圧が常時に印加され、その他の分割電極に対しては接地電位とするようにしてもよい。電源や切り換えのシステムを不要として、トレンチの観察に適した低コストの装置が提供できる。
　実施例２では、電子変換電極１４１が同心円状に２個に分割されている。なお、実施例１で説明した構成や機能と同様の構成、機能については、同じ符号を用いて説明を省略する。
　図８Ａ，Ｂを用いて実施例２のウィーンフィルタ１１４の詳細構造を説明する。図８Ａは側方から見た断面図、図８Ｂは平面方向から見た断面図である。ウィーンフィルタ１１４の上部には二次電子１２２が衝突する電子変換電極１４１が配置されている。本実施例では、図８Ｂに示すように、電子変換電極１４１は同心円状に２個に分割されている。分割された各々の電極に独立して正電圧の印加と、負電圧の印加あるいは接地電位との間で切り換えられるよう、互いに電気絶縁され、２つの電極間には同心円状の分離溝が設けられている。
　さらに、この例では、電子変換電極１４１の中央に、中空のパイプ電極であるビームガイド１４６が電子変換電極１４１を貫通するように配置されており、一次電子線Ｂ１が通過する。ビームガイド１４６と電子変換電極１４１とも、同心円状の分離溝によって電気絶縁されている。ビームガイド１４６は接地電位であり、電子変換電極１４１に電圧が印加されることによって生じる電界から一次電子線Ｂ１を遮蔽するために設けられる。これにより、一次電子線Ｂ１の歪を少なくすることができる。なお、ここではビームガイド１４６として、断面が円環であるパイプ形状の電極を例示しているが、断面が多角形の筒状電極であってもよく、パイプ電極に限定されるものではない。導電性物質で構成され、一次電子線Ｂ１が通過する通路が設けられていればよい。断面が円環であるパイプ形状は、同心円状に分割された電子変換電極１４１の中央に配置するのには好適である。なお、ビームガイドは接地電位でなくても、例えば、ビームガイド１４６に一次電子線に大きな影響を与えない範囲の低い電圧が印加されていたとしても差し支えない。
　本実施例のウィーンフィルタ１１４は、実施例１と同様の第１の電極１４２、第２の電極１４３、および第３の電極１４４を有する。なお、ビームガイド１４６は接地電位であるため、ビームガイドの端面Ｅからも三次電子が放出される。すなわち、ビームガイドも電子変換電極となる。第１の電極１４２と第２の電極１４３によって形成される電場により、電子変換電極１４１及びビームガイド１４６の端面Ｅから放出される三次電子は、検出器１１０の方向へ偏向される。
　これらの電極に加えて、本実施例では電子変換電極１４１の下方に、二次電子や三次電子が透過可能な第４の電極１４７が設けられている。第４の電極１４７は接地電位である。
　図９Ａ，Ｂに、中心に近い分割電極１４１ａを接地電位として、中心から遠い分割電極１４１ｂに正電圧を印加した場合の二次電子、反射電子および三次電子の振る舞いを示す。
　接地電位とした分割電極１４１ａから放出された三次電子１２３は検出器１１０に向かう。一方で、正電圧を印加した分割電極１４１ｂから放出された三次電子１４８は、分割電極１４１ｂと第４の電極１４７との間の電界により、分割電極１４１ｂに引き戻されるため検出されなくなる。第４の電極１４７を設けることによって、正電圧が印加された分割電極１４１ｂから放出される三次電子１４８が受ける引き戻し電場が強くなり、三次電子１４８が確実に検出されなくなることによって、二次電子弁別検出の精度が向上するという効果を奏する。
　図９Ａでは第３の電極１４４が接地電位とされており、実施例１（図７Ａ）と同様に第３の電極１４４から放出された三次電子１６１は、第２の電極１４３、さらに第１の電極１４２を通過して検出器１１０に到達することによって、二次電子の弁別の精度が低下している。これに対して、図９Ｂでは第３の電極１４４に電源１６２によって正電圧＋３０Ｖが印加されている。この場合には、三次電子１６１は、第２の電極１４３と第３の電極１４４の間の電場により第３の電極１４４に引き戻され、検出されない。これにより、二次電子の弁別の精度が向上する。
　実施例２においても、試料から放出された二次電子の電子軌道解析結果から、ビームガイド１４６及び電子変換電極１４１への衝突位置を求めることができる。図１０Ａに、トレンチトップから１００００個の二次電子が放出された場合における、二次電子のビームガイド及び電子変換電極への衝突位置３０３を示す。衝突位置は、３つの領域に分かれて同心円状に分布している。中心から、ビームガイド１４６に衝突した領域、分割電極１４１ａに衝突した領域、分割電極１４１ｂに衝突した領域である。一方、図１０Ｂに、トレンチのアスペクトが５の場合に、トレンチボトムから１００００個の二次電子が放出された場合における、二次電子のビームガイド及び電子変換電極への衝突位置３０４を示す。衝突位置は楕円状に分布し、楕円の長軸方向はＹ軸から時計回りに約４０°傾斜している。この場合も、衝突位置の分布は、３つの領域に分かれており、中心から、ビームガイド１４６に衝突した領域、分割電極１４１ａに衝突した領域、分割電極１４１ｂに衝突した領域である。
　ここで、分割電極１４１ａと分割電極１４１ｂ、およびビームガイドを接地電位にした場合には、分離溝に衝突した二次電子を除き、ほぼ全ての二次電子が検出される。図１０Ａのトレンチトップからの二次電子は約７８００個、図１０Ｂのトレンチボトムからの二次電子は約６００個であった。したがって、ＢＴ比は約０．０８となる。
　これに対して、分割電極１４１ｂに正電圧＋５０Ｖを印加し、かつ第３の電極１４４に正電圧＋３０Ｖを印加した場合には、ビームガイド１４６または分割電極１４１ａに衝突した二次電子が検出される。図１１Ａ，Ｂはそれぞれ図１０Ａ，Ｂからビームガイド、分割電極１４１ａへの二次電子の衝突位置を抽出して表示したものである。トレンチトップからの二次電子を計数すると約３０００個であり、トレンチボトムからの二次電子を計数すると約４４０個であった。したがって、ＢＴ比は約０．１５となる。すなわち、このように電子変換電極１４１を２個に分割し、外側分割電極１４１ｂに正電圧を印加し、かつ、第３の電極１４４に正電圧を印加することにより、ＢＴ比を約２倍向上できる。
　実施例３では、電子変換電極１４１を分割せず、電子変換電極１４１の中央にビームガイド１４６（パイプ電極）を配置した例を示す。また、実施例１、２では三次電子を検出器に向かわせるためにウィーンフィルタを用いる例を示したが、電子偏向器を用いることもできる。そこで、実施例３ではウィーンフィルタに代えて、電子偏向器を用いた例を示す。電子偏向器を用いる場合、一次電子線Ｂ１も偏向されることになるが、電子偏向器による一次電子線Ｂ１の偏向は後段の偏向器で振り戻すことで解消できる。なお、実施例１、２で説明した構成や機能と同様の構成、機能については、同じ符号を用いて説明を省略する。
　図１２Ａ，Ｂを用いて実施例３の電子偏向器１１５の詳細構造を説明する。電子偏向器１１５は、磁場を使用しておらず、電場のみで電子を偏向する。なお、実施例１，２に示したウィーンフィルタも電子偏向器の一種と考えてよい。図１２Ａは側方から見た断面図、図１２Ｂは平面方向から見た断面図である。電子偏向器１１５の上部には二次電子１２２が衝突する電子変換電極１４１が配置されている。本実施例では、図１２Ｂに示すように、分割されていない電子変換電極１４１には、正または負の電圧が印加できるよう電源が接続されており、正電圧の印加と、負電圧の印加あるいは接地電位との間で独立して切り換え可能である。電子変換電極１４１の中央には、中空のパイプ電極であるビームガイド１４６が配置されており一次電子線Ｂ１が通過する。ビームガイド１４６と電子変換電極１４１とは、同心円状の分離溝によって電気絶縁されている。ビームガイド１４６を接地電位とすることで、ビームガイド１４６の端面Ｅからも三次電子が放出される。すなわち、ビームガイドも電子変換電極となる。これにより、電子変換電極１４１が分割されていなくとも、電子変換電極１４１とビームガイド１４６の２つで、実質的に複数の電子変換電極を備えているといえる。
　本実施例の電子偏向器１１５には、実施例１と同様の第１の電極１４２、第２の電極１４３、および第３の電極１４４に加え、実施例２と同様の第４の電極１４７を設けた例を示している。さらに、本実施例では、第１の電極１４２や第２の電極１４３に対して試料側に配置される第５の電極１６３を備える。第５の電極１６３は、グリッド電極やメッシュ電極などの、試料から放出された二次電子が透過可能な電極である。
　トレンチボトムを観察する場合には、電子変換電極１４１に正の５０Ｖを印加する。図１３Ａ，Ｂに、電子変換電極１４１に正電圧を印加して、ビームガイド１４６が接地電圧である場合の二次電子、反射電子および三次電子の振る舞いを示す。この場合、電子変換電極１４１から放出された三次電子１４８は、電子変換電極１４１と接地電位とされた第４の電極１４７との電位差により、電子変換電極１４１に引き戻されるため検出されない。第４の電極１４７により三次電子が受ける引き戻し電場を強くし、三次電子が確実に検出されなくなり、二次電子弁別検出の精度が向上するという効果を奏する。これに対して、接地電位であるビームガイド１４６の端面から放出される三次電子は検出される。
　次に、第５の電極１６３の働きについて説明する。図１３Ａでは、第５の電極１６３を接地電位としている。この場合、二次電子１２２が電子変換電極１４１で反射した電子１６０がハウジング１４５の内壁に衝突する際に発生する三次電子１６１が、第５の電極１６３を通過して検出されてしまう。これにより正電圧を印加した電子変換電極１４１に衝突した二次電子が結果的に検出されてしまうことになり、二次電子の弁別の精度を低下させてしまう。
　これに対して、図１３Ｂでは、第５の電極１６３に電源１６４によって負電圧－３０Ｖを印加している。この場合には、二次電子１２２が電子変換電極１４１で反射した電子１６０がハウジング１４５に衝突して発生した三次電子１６１は、第５の電極１６３とハウジング１４５の間の電場により下方に引き戻され、検出器１１０では検出されない。すなわち、正電圧を印加した電子変換電極１４１に衝突した二次電子が検出されないため、二次電子の弁別の精度は図１３Ａの場合に比べて向上する。
　実施例３においても、試料から放出された二次電子の電子軌道解析結果から、ビームガイド１４６及び電子変換電極１４１への衝突位置を求めることができる。図１４Ａに、トレンチトップから１００００個の二次電子が放出された場合における、二次電子のビームガイド及び電子変換電極への衝突位置３０５を示す。衝突位置は同心円状に分布し、衝突位置の分布は、２つの領域に分かれている。中心から、ビームガイド１４６に衝突した領域、電子変換電極１４１に衝突した領域である。一方、図１４Ｂに、トレンチのアスペクトが５の場合に、トレンチボトムから１００００個の二次電子が放出された場合における、二次電子のビームガイド及び電子変換電極への衝突位置３０６を示す。衝突位置は楕円状に分布し、楕円の長軸方向はＹ軸から時計回りに約４０°傾斜している。この場合も、衝突位置の分布は、２つの領域に分かれており、中心から、ビームガイド１４６に衝突した領域、電子変換電極１４１に衝突した領域である。
　ここで、電子変換電極１４１およびビームガイド１４６を接地電位にした場合には、分離溝に衝突した二次電子を除き、ほぼ全ての二次電子が検出される。図１４Ａのトレンチトップからの二次電子は約９０００個、図１４Ｂのトレンチボトムからの二次電子は約７００個であった。したがって、ＢＴ比は約０．０８となる。
　これに対して、電子変換電極１４１に衝突した二次電子を検出しないように、電子変換電極１４１に正電圧＋５０Ｖを印加し、かつ第３の電極１４４に正電圧を印加した場合には、トレンチトップから放出され、かつビームガイドに衝突する二次電子は、約１４００個となり、トレンチボトムから放出され、かつビームガイドに衝突する二次電子は、約２５０個となった。したがって、ＢＴ比は約０．１８となる。すなわち、電子変換電極１４１を分割することなく正電圧を印加し、かつ第３の電極１４４に正電圧を印加することにより、ＢＴ比を約２倍向上できる。
　第５の電極１６３に印加する電圧は、負電圧の印加と接地電位との間で切り換え可能とすることが望ましい。前に述べたように、第５の電極１６３に負電圧を印加する場合には、トレンチボトムの視認性を向上させることができる。逆に、第５の電極１６３を接地電位とする場合には、凹凸の少ない観察対象について明るい像を得ることができる。これに対して、第５の電極１６３に常時に負の電圧を印加してもよい。この場合は、試料表面の観察において多少暗くはなるが、電源や切り換えのシステムが不要となるため低コストの装置が提供できる。
　実施例４では、電子変換電極１４１が放射状に８個に分割され、かつ、同心円状に２個に分割される、すなわち電子変換電極１４１が１６個に分割される例を示す。また、電子顕微鏡の筐体を第３の電極とみなして、電子偏向器（ウィーンフィルタ）を構成する例を示す。なお、実施例４には、実施例１～３で説明した構成や機能と同様の構成、機能については、同じ符号を用いて説明を省略する。
　図１５Ａ，Ｂを用いて実施例４のウィーンフィルタ１１４の詳細構造を説明する。図１５Ａは側方から見た断面図、図１５Ｂは平面方向から見た断面図である。ウィーンフィルタ１１４の上部には二次電子１２２が衝突する電子変換電極１４１が配置されている。本実施例では、図１５Ｂに示すように、電子変換電極１４１は、放射状に８個に分割され、かつ同心円状に２個に分割され、計１６個に分割される。また、１６個に分割された電極にはそれぞれ正または負の電圧が印加できるよう電源が接続され、独立して正電圧の印加と、負電圧の印加あるいは接地電位との間で切り換え可能とされている。また、電子変換電極１４１の中央に、中空のパイプ電極であるビームガイド１４６が配置されており一次電子線Ｂ１が通過する。ビームガイド１４６と電子変換電極１４１とも、同心円状の分離溝によって電気絶縁されている。
　本実施例のウィーンフィルタ１１４は、第１の電極１４２、第２の電極１４３が設けられ、さらに電子顕微鏡の筐体１４９が実施例１～３の第３の電極１４４の役割を果たしている。
　図１６に、ビームガイド１４６と電子変換電極１４１の詳細構造を示す。電子変換電極１４１は１６個に分割されている。電子変換電極１４１の内側は分割電極１～８、外側は分割電極９～１６に分割されている。各々の分割電極には電源が接続されており、制御装置１５０によって、独立して正電圧の印加と、負電圧の印加あるいは接地電位との間で切り換えが制御される。
　図１７Ａは、電子変換電極１４１のうち分割電極２，６は接地電位として、他の１４個の分割電極には正電圧を印加し、第２の電極１４３は接地電位とした場合の二次電子、反射電子および三次電子の振る舞いを示す。このように、電子変換電極を放射状に分割して、互いに向かい合う分割電極を略同電位とすることにより、トレンチボトムを観察するのには好適な方位角弁別が行える。特に、電圧制御が簡単化できるという効果を奏する。
　また、本実施例のように電子変換電極１４１を放射状に分割し、分割電極に異なる電圧を印加する場合には、ビームガイド１４６による一次電子線Ｂ１の歪みが抑える効果は特に重要である。電子変換電極１４１への電圧印加が一次電子線Ｂ１を歪ませ、走査電子顕微鏡の観察分解能を劣化させてしまうのを抑えることができる。このため、ビームガイド１４６の試料側の端面Ｅは、第４の電極１４７と同程度の位置とするか、第４の電極１４７よりもより試料側に位置することが望ましい。
　図１７Ａでは第２の電極１４３が接地電位であるため、二次電子１２２が電子変換電極１４１で反射した電子が電子顕微鏡の筐体１４９の内壁に衝突する際に発生する三次電子１６１が、第２の電極１４３を通過して検出されてしまう。このように、正電圧を印加した電子変換電極１４１の分割電極に衝突した二次電子が結果的に検出されてしまうため、二次電子の弁別の精度が悪くなる。
　これに対し、図１７Ｂに、図１７Ａから第２の電極１４３に負電圧－３０Ｖを電源１６４によって印加するように変更した場合の二次電子、反射電子および三次電子の振る舞いを示す。この場合は、二次電子１２２が電子変換電極１４１で反射した電子１６０が電子顕微鏡の筐体１４９の内壁に衝突して発生する三次電子１６１は、第２の電極１４３と電子顕微鏡の筐体１４９との間の電場により電子顕微鏡の筐体１４９に引き戻され、検出器１１０では検出されない。すなわち、正電圧を印加した電子変換電極１４１の分割電極に衝突した二次電子は検出されなくなることにより、二次電子の弁別の精度が向上する。
　実施例４においては、実施例１の方位角弁別と実施例２の仰角弁別とをハイブリッドで実施することができる。このため、さらにＢＴ比を向上できるという効果を奏する。
　実施例４においても、試料から放出された二次電子の電子軌道解析結果から、ビームガイド１４６及び電子変換電極１４１への衝突位置を求めることができる。図１８Ａに、トレンチトップから１００００個の二次電子が放出された場合における、二次電子のビームガイド及び電子変換電極への衝突位置３０７を示す。衝突位置は同心円状に分布し、衝突位置の分布は、１７の領域に分かれている。中心から、ビームガイド１４６に衝突した領域、分割電極１～１６に衝突した領域である。一方、図１８Ｂに、トレンチのアスペクトが５の場合に、トレンチボトムから１００００個の二次電子が放出された場合における、二次電子のビームガイド及び電子変換電極への衝突位置３０８を示す。衝突位置は楕円状に分布し、楕円の長軸方向はＹ軸から時計回りに約４０°傾斜している。この場合も、衝突位置の分布は、５つの領域に分かれており、中心から、ビームガイド１４６に衝突した領域、分割電極２，６に衝突した領域、分割電極１０，１４に衝突した領域である。
　ここで、分割電極の全て、およびビームガイドを接地電位にした場合には、分離溝に衝突した二次電子を除き、ほぼ全ての二次電子が検出される。図１８Ａのトレンチトップからの二次電子は約６０００個、図１８Ｂのトレンチボトムからの二次電子は約５００個であった。したがって、ＢＴ比は約０．０８となる。
　これに対して、電子変換電極１４１の分割電極２，６を接地電位とし、分割電極２，６以外の分割電極に正電圧＋５０Ｖを印加した場合には、ビームガイド１４６または分割電極２，６に衝突した二次電子が検出される。図１９Ａ，Ｂはそれぞれ図１８Ａ，Ｂからビームガイド、分割電極２，６への二次電子の衝突位置を抽出して表示したものである。トレンチトップからの二次電子を計数すると約８００個であり、トレンチボトムからの二次電子を計数すると約３５０個であった。したがって、ＢＴ比は約０．４４となる。ここで、第２の電極１４３に負電圧を印加して、電子顕微鏡の筐体１４９で発生する３次電子を検出しないようにすることにより、上記の理想値に近い、高いＢＴ比が実現できる。図１８Ａの場合と比較すると、ＢＴ比は約５倍向上される。
　第２の電極１４３に印加する電圧は、負電圧の印加と接地電位との間で切り換え可能とすることが望ましい。前に述べたように、第２の電極１４３に負電圧を印加する場合には、トレンチボトムの視認性を向上させることができる。逆に、第２の電極１４３を接地電位とする場合には、凹凸の少ない観察対象について明るい像を得ることができる。
　最後に、図２０を用いて、走査電子顕微鏡のディスプレイ１５１に表示される画面の一例について説明する。図２０に例示される画面には、電子変換電極が全て接地電位の場合の二次電子像１８１と、実施例１～４として示したように、電子変換電極の一部または全部に正電圧が印加された場合の二次電子像１８２、インジケータ１８３、電子変換電極電圧スイッチ１８４などが表示される。なお、このとき各実施例に示したように、電子変換電極への正電圧の印加にあわせて、第２の電極１４３（実施例４）、第３の電極１４４（実施例１～３）、第５の電極１６３（実施例３）に印加する電圧をあわせて制御することが望ましい。
　二次電子像１８１と二次電子像１８２とは、ともに検出器１１０から送信される検出信号に基づいて生成された画像である。この場合には、電子変換電極電圧スイッチ１８４がＯＮの状態なので、電子変換電極に正電圧が印加された場合の二次電子像１８２がリアルタイムの画像である。一方、二次電子像１８１は、過去に取得して記憶された画像が表示されている。
　二次電子像１８１は、トレンチトップ１８５が明るく観察されているが、トレンチボトム１８６は、真っ暗となり観察されていない。一方で、二次電子像１８２は、トレンチトップ１８５が相対的に暗くなったことから、トレンチボトム１８６が明るく観察されている。このため、トレンチボトムの異物１８７が視認できるようになっている。二次電子像１８１はトレンチトップを観察するのに好適な画像であり、二次電子像１８２はトレンチボトムを観察するのに好適な画像となる。観察の目的によって、画像を切り換えて観察すればよい。また、このように２つの画像を比較しながら観察することにより、試料構造をより良く理解することができる。
　以上、本発明の電子顕微鏡の複数の実施例について説明した。本発明は上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素を、組み合わせに矛盾が生じない限り、適宜組み合わせることができる。さらに、上記実施例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除することもできる。
１００…電子顕微鏡、１０１…電子銃、１０２…引出電極、１０４…陽極、１０５…集束レンズ、１０６…絞り、１０７…調整ノブ、１０８…上側偏向器、１０９…下側偏向器、１１０…検出器、１１１…蛍光板、１１２…光電子増倍管、１１３…コイル、１１４…ウィーンフィルタ、１１５…電子偏向器、１１６…磁極、１１７…対物レンズコイル、１１８…対物レンズ、１２０…試料、１２１…試料台、１２２…二次電子、１２３…三次電子、１２４…電源、１３３…磁場、１３４…電場、１４１…電子変換電極、１４２…第１の電極、１４３…第２の電極、１４４…第３の電極、１４５…ハウジング、１４６…ビームガイド、１４７…第４の電極、１４８…三次電子、１４９…電子顕微鏡の筐体、１５０…制御装置、１５１…ディスプレイ、１５２…記憶装置、１５３…制御テーブル、１６０…反射電子、１６１…三次電子、１６２…電源、１６３…第５の電極、１６４…電源、１８１，１８２…二次電子像、１８３…インジケータ、１８４…電子変換電極電圧スイッチ、１８５…トレンチトップ、１８６…トレンチボトム、１８７…異物、２００…トレンチ、２０１…二次電子放出ベクトル、２０２…仰角、２０３…方位角、２０４…トレンチボトム、２０５…トレンチトップ、２１０，２１１…二次電子、３０１，３０２，３０３，３０４，３０５，３０６，３０７，３０８…衝突位置。

Claims (15)

  1. 　電子源と、
    　前記電子源から放出された一次電子線を試料に集束させる対物レンズと、
    　前記電子源と前記対物レンズとの間に、少なくとも電場を用いて電子を偏向させる偏向器と、
    　前記試料を搭載するステージと、
    　前記ステージに前記一次電子線を減速させる電圧を印加する電源と、
    　電子を検出する検出器と、
    　制御装置とを有し、
    　前記偏向器は、前記一次電子線が照射されることにより前記試料から放出される二次電子が衝突するよう配置される電子変換電極と、互いに対向して配置され、電子が透過可能な第１の電極及び第２の電極と、前記第２の電極を挟んで前記第１の電極と対向して配置される第３の電極とを備え、
    　前記検出器は、前記電子変換電極に前記試料から放出される二次電子が衝突することにより放出され、前記第１の電極を透過した三次電子を検出し、
    　前記電子変換電極は、複数の分割電極に分割されており、
    　前記制御装置は、前記第３の電極の電位を前記第２の電極の電位に対して正の電位差とすることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  2. 　請求項１において、
    　前記第３の電極の電位は、前記第２の電極の電位に対して正の電位差と、負の電位差あるいは等電位との間で切り換え可能であることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  3. 　請求項２において、
    　前記電子変換電極の前記複数の分割電極のそれぞれは、正電圧の印加と、負電圧の印加あるいは接地電位との間で独立して切り換え可能であり、
    　前記制御装置は、前記電子変換電極の１以上の分割電極に正電圧を印加するとき、前記第３の電極の電位を前記第２の電極の電位に対して正の電位差とするよう切り換えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  4. 　請求項１において、
    　前記偏向器は、前記電子変換電極を貫通するように設けられ、前記一次電子線が通過するビームガイドを備え、
    　前記電子変換電極と前記ビームガイドとは互いに電気絶縁されていることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  5. 　請求項４において、
    　前記偏向器は、前記電子変換電極に対向して配置され、電子が透過可能な第４の電極を備え、
    　前記第４の電極は、前記ビームガイドの前記試料側の端面と同じ高さまたは前記電子変換電極よりに配置されることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  6. 　請求項１において、
    　前記偏向器は、前記第１の電極及び前記第２の電極よりも前記試料側に配置され、電子が透過可能な第５の電極を備え、
    　前記制御装置は、前記第５の電極に負電圧を印加することを特徴とする走査電子顕微鏡。
  7. 　請求項１において、
    　前記第３の電極は、電子顕微鏡の筐体であり、
    　前記第３の電極の電位を前記第２の電極の電位に対して正の電位差とするため、前記第２の電極に負電圧を印加することを特徴とする走査電子顕微鏡。
  8. 　請求項１～７のいずれか１項において、
    　前記複数の分割電極は、前記電子変換電極を放射状に分割していることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  9. 　請求項８において、
    　前記複数の分割電極のうち、向かい合う電極は略同電位とされることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  10. 　請求項１～７のいずれか１項において、
    　前記複数の分割電極は、前記電子変換電極を同心円状に分割していることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  11. 　請求項１～７のいずれか１項において、
    　前記偏向器は、電子を偏向させる磁場を発生させるコイルを備えるウィーンフィルタであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  12. 　電子源と、
    　前記電子源から放出された一次電子線を試料に集束させる対物レンズと、
    　前記電子源と前記対物レンズとの間に、少なくとも電場を用いて電子を偏向させる偏向器と、
    　前記試料を搭載するステージと、
    　前記ステージに前記一次電子線を減速させる電圧を印加する電源と、
    　電子を検出する検出器と、
    　制御装置とを有し、
    　前記偏向器は、前記一次電子線が照射されることにより前記試料から放出される二次電子が衝突するよう配置される電子変換電極と、前記電子変換電極を貫通するように設けられ、前記一次電子線が通過するビームガイドと、互いに対向して配置され、電子が透過可能な第１の電極及び第２の電極とを備え、
    　前記検出器は、前記電子変換電極または前記ビームガイドの前記試料側の端面に前記試料から放出される二次電子が衝突することにより放出され、前記第１の電極を透過した三次電子を検出し、
    　前記電子変換電極は、正電圧の印加と、負電圧の印加あるいは接地電位との間で独立して切り換え可能とされ、
    　前記偏向器は、前記電子変換電極に対向して配置され、電子が透過可能な第４の電極を備え、
    　前記第４の電極は接地電位とされ、前記ビームガイドの前記試料側の端面と同じ高さまたは前記電子変換電極よりに配置されることを特徴とする走査電子顕微鏡。
  13. 　電子源と、前記電子源から放出された一次電子線を試料に集束させる対物レンズと、前記電子源と前記対物レンズとの間に、少なくとも電場を用いて電子を偏向させる偏向器と、前記試料を搭載するステージと、前記ステージに前記一次電子線を減速させる電圧を印加する電源と、電子を検出する検出器と、制御装置とを有する走査電子顕微鏡による試料観察方法であって、
    　前記偏向器は、前記一次電子線が照射されることにより前記試料から放出される二次電子が衝突するよう配置される電子変換電極と、互いに対向して配置され、電子が透過可能な第１の電極及び第２の電極と、前記第２の電極を挟んで前記第１の電極と対向して配置される第３の電極とを備え、
    　前記検出器は、前記電子変換電極に前記試料から放出される二次電子が衝突することにより放出され、前記第１の電極を透過した三次電子を検出し、
    　前記電子変換電極は、複数の分割電極に分割されており、
    　前記制御装置は、前記第３の電極の電位を前記第２の電極の電位に対して正の電位差とすることを特徴とする試料観察方法。
  14. 　請求項１３において、
    　前記第３の電極の電位は、前記第２の電極の電位に対して正の電位差と、負の電位差あるいは等電位との間で切り換え可能であり、
    　前記電子変換電極の前記複数の分割電極のそれぞれは、正電圧の印加と、負電圧の印加あるいは接地電位との間で独立して切り換え可能であり、
    　前記制御装置は、前記電子変換電極の１以上の分割電極に正電圧を印加するとき、前記第３の電極の電位を前記第２の電極の電位に対して正の電位差とするよう切り換えることを特徴とする試料観察方法。
  15. 　請求項１３または請求項１４において、
    　前記複数の分割電極は、前記電子変換電極を放射状または同心円状に分割していることを特徴とする試料観察方法。
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