特許 5948084 走査電子顕微鏡

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5948084

(24)【登録日】2016年6月10日

(45)【発行日】2016年7月6日

(54)【発明の名称】走査電子顕微鏡

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/244 20060101AFI20160623BHJP

   H01J 37/147 20060101ALI20160623BHJP

   H01J 37/22 20060101ALI20160623BHJP

   H01J 37/29 20060101ALI20160623BHJP

   H01J 37/05 20060101ALI20160623BHJP

【ＦＩ】

   H01J37/244

   H01J37/147 B

   H01J37/22 502F

   H01J37/22 502H

   H01J37/29

   H01J37/05

【請求項の数】9

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-40865(P2012-40865)

(22)【出願日】2012年2月28日

(65)【公開番号】特開2013-178880(P2013-178880A)

(43)【公開日】2013年9月9日

【審査請求日】2015年1月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】100100310

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 学

(74)【代理人】

【識別番号】100098660

【弁理士】

【氏名又は名称】戸田 裕二

(74)【代理人】

【識別番号】100091720

【弁理士】

【氏名又は名称】岩崎 重美

(72)【発明者】

【氏名】山崎 実

(72)【発明者】

【氏名】数見 秀之

(72)【発明者】

【氏名】笹氣 裕子

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 誠

【審査官】 鳥居 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−２２８９９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２４７８０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１１４４２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ３７／００ −３７／０２

Ｈ０１Ｊ ３７／０５

Ｈ０１Ｊ ３７／０９ −３７／１８

Ｈ０１Ｊ ３７／２１ −３７／２４４

Ｈ０１Ｊ ３７／２５２−３７／２９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電子源と、当該電子源から放出される電子ビームの走査位置を偏向する偏向器と、当該偏向器を制御する制御装置を備えた走査電子顕微鏡において、
前記電子ビームの試料への照射によって得られる電子を検出する第１の検出器と、当該第１の検出器と前記偏向器との間に配置され、前記電子ビームの通過開口を有する開口部形成部材と、前記試料から放出された電子を偏向する上側偏向器と下側偏向器を有する二次信号偏向器を備え、前記制御装置は、前記偏向器の偏向条件に応じて、前記試料から放出される電子が、前記電子ビームの光軸に向かって方向付けられるように、前記下側偏向器を制御し、当該下側偏向器によって偏向された前記試料から放出された電子を、前記電子ビームの通過開口に向かって偏向するように前記上側偏向器を制御することを特徴とする走査電子顕微鏡。

【請求項2】

請求項１において、
前記開口部形成部材は、電子の衝突によって電子を発生する変換電極であって、当該変換電極にて発生する電子を検出する第２の検出器を備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。

【請求項3】

請求項１において、
前記開口部形成部材は、電子を検出する第２の検出器であることを特徴とする走査電子顕微鏡。

【請求項4】

請求項１において、
前記偏向器は、前記電子ビームの走査位置を偏向するイメージシフト偏向器であって、前記制御装置は前記電子ビームの走査位置に応じて、前記二次信号偏向器を制御することを特徴とする走査電子顕微鏡。

【請求項5】

請求項１において、
前記偏向器の制御量と前記二次信号偏向器の動作条件を関連付けて記憶するメモリを備えていることを特徴とする走査電子顕微鏡。

【請求項6】

請求項１において、
前記二次信号偏向器は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。

【請求項7】

電子源と、当該電子源から放出される電子ビームの走査位置を偏向する偏向器と、当該偏向器を制御する制御装置を備えた走査電子顕微鏡において、
前記電子ビームの試料への照射によって得られる電子を検出する第１の検出器と、当該第１の検出器と前記偏向器との間に配置され、前記電子ビームの通過開口を有する開口部形成部材を含む、或いは当該開口部形成部材から放出された電子を検出する第２の検出器と、前記試料から放出された電子を偏向する二次信号偏向器と、前記第１の検出器と第２の検出器の出力を、特定パターンのコントラストが等しくなるような処理を行い、当該特定パターンのコントラストを消去するように、前記第１の検出器と第２の検出器の出力を合成する演算器を備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。

【請求項8】

電子源と、当該電子源から放出される電子ビームの走査位置を偏向する偏向器と、当該偏向器を制御する制御装置を備えた走査電子顕微鏡において、
前記電子ビームの試料への照射によって得られる電子を検出する第１の検出器と、当該第１の検出器と前記偏向器との間に配置され、前記電子ビームの通過開口を有する開口形成部材と、当該開口部形成部材より電子源側に配置されるエネルギーフィルタと、前記試料から放出された電子を偏向する第１の二次信号偏向器と、前記エネルギーフィルタへの電子の入射角度を調整する第２の二次信号偏向器を備え、前記制御装置は、前記偏向器の偏向条件に応じて、前記試料から放出される電子を前記電子ビームの通過開口に向かって偏向するように、前記第１の二次信号偏向器を制御することを特徴とする走査電子顕微鏡。

【請求項9】

電子源と、当該電子源から放出される電子ビームの走査位置を偏向する偏向器と、当該偏向器を制御する制御装置を備えた走査電子顕微鏡において、
前記電子ビームの試料への照射によって得られる電子を検出する第１の検出器と、当該第１の検出器より相対的に前記電子ビーム光軸を中心として広い範囲に放出される電子、或いは当該電子によってもたらされる電子を検出する第２の検出器と、当該第１の検出器と第２の検出器の出力を合成する演算部を備え、当該演算部は、前記第１の検出器と第２の検出器の出力に基づいて得られる信号の特定部位のコントラストを相殺するように前記出力の合成を実施することを特徴とする走査電子顕微鏡。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、試料に電子ビームを照射することによって得られる電子を検出する走査電子顕微鏡に係り、特に試料から放出される電子の軌道を偏向する偏向器を備えた走査電子顕微鏡に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、半導体デバイス等、走査電子顕微鏡の測定、或いは検査対象の微細化が進んでいる。微細化に伴い、試料表面方向（Ｘ−Ｙ方向）パターンの大きさに対し、相対的にパターンの深さ方向（Ｚ方向）の寸法が増大し、パターンのアスペクト比（Ｚ方向の寸法／Ｘ或いはＹ方向の寸法）の増大が顕著になってきた。このようなパターンの底部から放出される電子の中には、パターンの側壁に衝突してしまうものがある。

【0003】

一方、微細なパターンを測定するという要求と共に、測定や検査に要する時間の短縮化が求められている。昨今の半導体デバイスの測定、検査個所は増大傾向にあり、高スループットを実現するためには、測定点（電子ビームの視野）の移動を高速に行う必要がある。特許文献１にはイメージシフト偏向器を用いた視野移動の高速化技術が開示されている。また、特許文献１では電子ビームの軸外であって、検出器より電子源側に配置された変換電極、或いは検出器に電子を導くために、イメージシフトに伴い発生する電界又は磁界に応じて、二次電子の偏向角を制御することが説明されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２−３９０２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に開示の走査電子顕微鏡によれば、イメージシフトの偏向方向に寄らず、所定の方向に安定して電子を導くことができるが、電子ビームの光軸（ビームが偏向作用を受けないときに電子ビームが通過する通過軌道）外に電子を偏向して検出しているため、一次電子ビームが通過する通過軌道を確保しつつ、角度制限用の開口を設ける必要がある。

【0006】

以下、軸外に角度制限用の開口を設けることなく、試料から放出される電子の角度弁別を行うことを目的とする走査電子顕微鏡について説明する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成する一態様として、電子源と、当該電子源から放出される電子ビームの照射位置を偏向する偏向器と、当該偏向器を制御する制御装置を備えた走査電子顕微鏡において、前記電子ビームの試料への照射によって得られる電子を検出する検出器と、当該検出器と前記偏向器との間に配置され、前記電子ビームの通過開口を有する開口形成部材と、前記試料から放出された電子を偏向する二次信号偏向器を備え、前記制御装置は、前記偏向器の偏向制御に応じて、前記試料から放出される電子を前記電子ビームの通過開口に向かって偏向するように前記二次信号偏向器を制御する走査電子顕微鏡を提案する。

【発明の効果】

【0008】

上記構成によれば、軸外に角度制限用の開口を設けることなく、試料から放出される電子の角度弁別が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】走査電子顕微鏡の概要を示す図。

【図2】二次信号偏向器による二次信号の偏向軌道の一例を示す図。

【図3】二次信号偏向器による二次信号の偏向軌道の一例を示す図。

【図4】２次電子制限板を投影した画像の一例を示す図。

【図5】２つの検出器を用いて合成画像を形成する工程を示すフロチャート。

【図6】偏向器によるエネルギーフィルタへ進入する電子の偏向軌道の一例を示す図。

【図7】２段検出器の出力に基づく合成画像の一例を示す図。

【図8】二次信号の分散軌道中心と角度制限用開口が一致しているときとそうでないときの違いを説明する図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

近年、半導体デバイスの微細化が数１０nm以下へと進んでおり、従来のプレーナー型の構造に限らずＦｉｎ−ＦＥＴに代表されるような３次元構造の形状を持つデバイスの量産が始まろうとしている。また、トレンチやホールなどの立体パターンでの深化も著しく、Flashメモリなどにおけるゲートのアスペクト比は１０以上、コンタクトホールのアスペクト比は３０以上へと進んでいる。インラインでパターンの測長や欠陥を検査するために用いられるＣＤ−ＳＥＭ（Critical Dimension Scanning Electron Microscope）やＤＲ−ＳＥＭ（Detect Review Scanning Electron Microscope）においても、要求仕様は年々厳しくなっている。これらの電子顕微鏡応用装置では、１次電子を試料上で走査して試料表面化から放出される２次電子を検出することによって画像を形成している。デバイスの微細化がさらに進むと、試料内部での１次電子の拡散によりエッジコントラストが低下するため、ＳＥＭ観察はさらに厳しくなることが予想される。

【0011】

特にパターンの底部においては、放出される２次電子が試料側壁に再衝突して消失するため底の形状がより見えにくい。よって、試料表面に正帯電を付着、或いは電子を上方に導くための電界を発生する電極の設置を行うことが考えられる。しかし、試料表面が導体の場合あるいはパターン底が絶縁体の場合には、２次電子を引き上げるために十分な正帯電を作ることが難しく、電位コントラストによるパターン底の強調が難しい。そのような場合、装置に２次電子をエネルギー、あるいは角度で弁別する機能を持たせ、パターンの底から放出された２次電子のみを選択的に検出して強調する方法が有効である。エネルギーフィルタを用いると、材料の電位ポテンシャルの差を利用して特定のパターンコントラストを強調することが可能である。この手法はＬｏｗ−ｋ材やメタルゲートなど異なる複数の材料が用いられている場合に有効である。

【0012】

また別手段として、２次電子を仰角あるいは方位角で弁別することによって、特定のパターンコントラストを強調することができる。仰角方向に弁別すれば、試料表面に垂直方向に放出された２次電子を選択的に検出することによって、パターン底や側面の情報を得ることが可能となる。

【0013】

エネルギーフィルタは一般的に、複数の導電性メッシュや電極などを用いて構成される。そのエネルギー分解能は、形成される電界の平坦性や電界強度、あるいは２次電子の進入角度、軌道分散などによって決まる。画像取得の際エネルギー分解能にばらつきがあると、エネルギーをカットする電位が変化するため画像コントラストや明るさにばらつきが生じる。

【0014】

一方、角度弁別では一般的に２次電子軌道を制限するための遮蔽物が置かれ、例えば遮蔽物に開けられた穴などを通過した２次電子のみを選択的に検出する。このとき、例えば試料垂直方向の２次電子を選択的に検出しようとしたとき、該当する２次電子の軌道が遮蔽物に当たってしまうと角度弁別の効果を出すことができなくなる。

【0015】

また、イメージシフト偏向器等によって電子ビームを偏向すると、電子ビームだけではなく、二次電子や後方散乱電子の軌道も曲げてしまい、適正な角度弁別を行うことが困難になる場合がある。

【0016】

そこで、本実施例では角度弁別用の開口と電子ビームの通過開口を兼用すると共に、当該開口に試料から放出された電子を方向付けるように偏向する偏向器と、当該開口を通過した電子、或いはその電子によってもたらされる電子を検出する検出器を設けることによって、正確な角度弁別と、角度弁別のための遮蔽物以外の遮蔽物への電子の衝突を最大限抑制する走査電子顕微鏡について説明する。電子線通路や電子光学系を構成する部材等に衝突する可能性の最も少ない通路は、電子ビームの通過軌道である。よって、イメージシフト偏向器等の偏向によらず、試料から放出される電子を電子ビームの通過開口に沿って通過させるように、偏向することにより、高精度に角度弁別を行いつつ、他部材への衝突を最大限抑制することが可能となる。

【0017】

また、角度弁別用の開口が設けられた開口形成部材を、電子検出器、或いは衝突電子の変換電極とすると、電子ビームに対し、軸対称に設けられる検出器の検出面、或いは変換電極面に最も多くの電子を導くことができるため、検出効率の極大化を実現することができる。

【0018】

本実施例では、特定の標準試料を必要とせず、イメージシフトに連動して２次電子軌道の制御を調整することを可能とする走査電子顕微鏡について説明する。さらに図１に示す装置構成によりエネルギーフィルタへの２次電子の進入角度を固定できるようになるため、エネルギー分解能を一定に保った状態で信号弁別することが可能となる。

【0019】

本実施例では主に、２次電子制限板およびエネルギーフィルタを用いて２次電子を選択的に検出する際、安定に信号弁別するために２次電子アライナを用いて２次電子軌道を制御する例について説明する。初めに、構成および原理を示す。図１は走査電子顕微鏡の概略構成図である。電界放出陰極１１と引出電極１３との間に引出電圧１２を印加することで、１次電子ビーム１を引き出す。１次電子ビーム１はコンデンサレンズ１４で収束作用を受け、上走査偏向器２１、下走査偏向器２２で走査偏向を受ける。上走査偏向器２１、下走査偏向器２２の偏向強度は、対物レンズ１７のレンズ中心を支点として試料２３上を二次元走査するように調整されている。同様に、走査位置を変化させるための上イメージシフト偏向器２５、下イメージシフト偏向器２６による偏向作用を受ける。偏向を受けた１次電子ビーム１は、対物レンズ１７の通路に設けられた加速円筒１８でさらに加速を受ける。

【0020】

後段加速された１次電子ビーム１は、対物レンズ１７のレンズ作用で絞られホルダー２４に保持された試料２３に到達する。１次電子の照射によって、試料２３の表面から２次電子が放出される。２次電子は光軸に平行方向の高角の２次電子２（ａ）、試料表面に平行方向の低角成分の２次電子（ｂ）（高角の２次電子に対して相対的に電子ビーム光軸を中心として広い範囲に放出される電子）に分類できる。２次電子は、光軸を１次電子とは逆方法に進行し、２次電子制限板３１に到達する。高角の２次電子２（ａ）は２次電子制限板３１の孔を通過し、エネルギーフィルタ３４を通過した後で反射板２７に衝突して３次電子に変換され、上検出器２８（ａ）で検出される。

【0021】

この２次電子制限板３１は後述するように、電子ビームの通過開口を持つと共に、電子ビーム光軸方向に、上検出器２８（ａ）とイメージシフト偏向器との間に配置される。電子ビームの通過開口は、試料から放出される電子の内、高角度成分を選択的に通過させるように形成されている。

【0022】

低角側の２次電子２（ｂ）は２次電子制限板３１（変換電極）に衝突して３次電子に変換され、下検出器２８（ｂ）で検出される。演算器４０を用いて検出信号を処理し、各々の検出器で検出された信号を画像化する。画像Ｓ／Ｎを稼ぐために、得られた信号を加算して画像化しても良い。下検出器２８（ｂ）は、後述する２次電子アライナと上検出器２８（ａ）との間に配置される。

【0023】

なお、演算器４０は、制御装置４１に接続されており、当該制御装置４１の指示に基づいて、所定の演算を実行する。また、制御装置４１は、対物レンズ制御電源４２、ステージ制御電源４３、及び加速電圧制御電源４４にも接続されており、予めレシピとして記憶された光学条件や制御条件に基づいて、各電子顕微鏡の構成要素を制御する。

【0024】

角度弁別するためには高角の２次電子２（ａ）を２次電子制限板３１の孔に通す必要があるが、２次電子の軌道はイメージシフトの使用や対物レンズ１７通過の影響により光軸から離軸することがある。逆に、組み立て精度や光軸調整精度の結果、あるいは孔径の選択を目的として意図的に２次電子制限板３１の孔が光軸から離軸した位置に搭載されることもある。高角の２次電子２（ａ）を常に２次電子制限板３１の孔に通すため、２次電子アライナ（二次信号偏向器）を用いる。２次電子アライナII（Ｌ）３３（ａ）、２次電子アライナII（Ｕ）３３（ｂ）を用いて、２次電子軌道を偏向制御する。２次電子アライナは１次電子の軌道に影響しないよう、電極と磁場コイルで構成されるウィーンフィルタを用いる。

【0025】

以上のように、試料から放出される電子の軌道を、電子ビーム光軸に沿うように（同軸に）偏向することによって、下検出器２８（ｂ）の検出効率を向上することができる。図８はその原理を説明する図である。図８は試料２３側から見た２次電子制限板３１であり、電子ビームの通過開口８１（高角側電子の通過口）が設けられている。図８（ａ）は試料から放出された電子の分散範囲８２の中心が、電子ビームの通過開口８１と一致した状態を示しており、図８（ｂ）は、試料から放出された電子の分散範囲８２の中心が、電子ビームの通過開口８１から離間した状態を示している。図８のように試料から放出された電子が拡がりを持つ場合、図８（ａ）のケースでは、電子ビームの通過開口８１を除き、全ての電子が２次電子制限板３１に衝突しているのに対し、図８（ｂ）のケースでは、電子の分散範囲８２の一部が２次電子制限板３１に衝突していない。

【0026】

このようにある程度の角度範囲を持つ放出電子を効率良く検出するためには、図８（ａ）のような状態にすることが望ましく、試料から放出される電子の軌道を電子ビーム光軸に沿って偏向することによって、下検出器２８（ｂ）の検出効率を高くすることができる。本実施例装置によれば、二次電子の軌道を変化させる場合であっても、検出効率の低下を抑制することが可能となる。

【0027】

エネルギーフィルタ３４は、例えば複数のメッシュ状電極からなり、試料から放出される電子を追い返すような電界を発生するものである。この電界強度を変化させることによって、所望のエネルギーの電子を選択的に検出器側に導くために設けられている。エネルギーフィルタ３４は、２次電子制限板３１より電子源１１側に設置される。

【0028】

また、エネルギーフィルタ３４では１次電子の通過経路を確保するための孔やパイプが設けられることが一般的であり、高角の２次電子（ａ）が孔やパイプに侵入するのを防ぐ必要がある。そこで同様に、２次電子アライナＩ３２を設けエネルギーフィルタ３４に進入する２次電子の角度を偏向制御する。２次電子絞り３１を通過した高角の２次電子２（ａ）の角度は２次電子アライナII（Ｌ）３３（ａ）、２次電子アライナII（Ｕ）３３（ｂ）によって制御されているため、２次電子アライナＩ３２によってエネルギーフィルタ３５に対する進入角度を一定に保つことができる。その結果、エネルギーフィルタのエネルギー分解能を一定とする効果も得ることができる。図１の構成例では角度弁別とエネルギー弁別を両立しているが、エネルギー弁別のみを行うために２次電子制限板３１を外した構成としても良い。

【0029】

２次電子アライナII３３（ａ）、３３（ｂ）の制御方法の概念を図２に示す。イメージシフト２５、２６を使用して試料表面の離軸した位置Ｌｓに１次電子を照射する。そこから放出された高角の２次電子２（ａ）は光軸を逆方向に進行する。対物レンズ１７、イメージシフト２５、２６を通過する際に偏向作用を受け、２次電子アライナII（Ｌ）３３（ｂ）に離軸量ＬＬ、角度θ_SEで進入する。２次電子アライナII（Ｌ）３３（ｂ）を用いて、２次電子アライナII（Ｕ）３３（ａ）の中心を通過するように２次電子２（ａ）を角度θＬで偏向する。次に２次電子アライナII（Ｕ）３３（ａ）を用いて、光軸に平行になるように角度θ_Uで偏向すれば、２次電子制限板３１の中心を光軸に平行に通すことができるようになる。この制御を満たすための条件として、幾何計算により以下の式（１）、（２）が導かれる。ここで、Ｚ_SEALUは２次電子アライナII（Ｕ）３３（ａ）の高さ、Ｚ_SEALLは２次電子２次電子アライナII（Ｌ）３３（ｂ）の高さを示す。

【0030】

【数1】

【0031】

【数2】

【0032】

まず、イメージシフト使用による２次電子軌道の変化を２次電子アライナで補正することを想定する。２次電子アライナII（Ｌ）３３（ｂ）への進入角度θ_SEは次式の様に求められる。

【0033】

【数3】

【0034】

ここで、Ｌ_SEは２次電子２（ａ）がイメージシフトによって偏向される量を、２次電子制限板３１での光軸からの距離で定義したものである。ＬＳＥは後述の２次電子到達位置検知方法、あるいは電子軌道シミュレーションなどを用いて求めることができる。Ｚ_SEAPは２次電子制限板の高さであり、Ｚ_SEは、２次電子の仮想射出高さ（＝Ｌ_SE／tan（θ_SE））であり、実験値からの推定や電子軌道シミュレーションなどによって求めることができる。式（１）より、２次電子アライナII（Ｌ）３３（ｂ）で必要なθ_Lは次式のように求まる。

【0035】

【数4】

【0036】

（２）、（４）式より、２次電子アライナII（Ｕ）３３（ａ）で必要なθ_Uは次式のように求まる。

【0037】

【数5】

【0038】

なお、図２では断面図を用いて説明しているが、実際には対物レンズ１７における磁場による回転を考慮して方位角方向についても制御する必要がある。その際は、イメージシフト、各２次電子アライナにおける方位各成分について、磁場による回転角度を予め求めておき、行列演算して制御する。磁場による回転角度は、後述の２次電子到達位置検知方法、あるいは電子軌道シミュレーションなどを用いて求めることができる。

【0039】

次に、２次電子制限板３１において光軸外の孔へ偏向制御する方法について図３に示す。イメージシフト未使用時の２次電子２（ａ）に対し、θ_Lとθ_Uが同角度で反対方向となるように制御すると、軌道は光軸と平行を保ったまま位置だけをずらすことができる。この原理では２次電子の軌道を平行移動するだけなので、イメージシフト連動と独立して制御することが可能である。２次電子制限板上での必要移動量をＬ_SHIFTとすると、（４）、（５）式に平行移動の項を追加することができる。

【0040】

【数6】

【0041】

【数7】

【0042】

上式に従ってθ_Lとθ_Uを制御するためには、２次電子に対するイメージシフトや２次電子アライナの偏向感度、方位角における回転方向を知る必要がある。本実施例では、偏向器を用いて１次電子を試料上で走査した際に、２次電子も同時に２次電子制限板３１上で走査されることを利用する。１次電子を偏向器２１、２２で偏向して試料上に照射すると、放出された２次電子２（ａ）は対物レンズを通過した後に偏向器を逆方向に進行し、２次電子制限板３１上に到達する。ここで２次電子２（ａ）は通常、放出されるエネルギーと角度にばらつきを持っているが、対物レンズ１７と加速管１８の条件次第では磁場レンズ、静電レンズのフォーカス作用によって２次電子制限板３１に収束する。この場合、下検出器２８（ｂ）で検出した信号を画像化すると、２次電子制限板の形状を反映して図４（ａ）に示すように２次電子制限板３１の孔が暗い画像を得ることができる。一方、上検出器２８（ａ）で検出すると、図４（ｂ）に示すように２次電子制限板３１の孔が明るい画像が得られる。

【0043】

画面内における孔位置は、２次電子制限板３１上での走査範囲を反映しているため、イメージシフトや２次電子アライナを使うと変化する。よって、逆に孔位置の変化量から、イメージシフトや２次電子アライナの偏向感度、方位角方向の角度を求めることができる。一定の光学条件から外れると、２次電子２（ａ）が２次電子制限板３１で収束しなくなるため、孔の輪郭がぼやけて見え孔位置の確認が困難となる。その場合は電子軌道シミュレーションによって２次電子の軌道を追跡すれば良い。２次電子が収束する条件で実験と比較し、２次電子アライナの感度と方位角方向のずれに関してシミュレーション結果を補正すれば、種々の光学条件においても精度良く２次電子軌道を制御することができる。なお、空間分解能をもつ検出器を２次電子制限板３１として設置し、２次電子到達位置を直接検出しても良い。また、孔のコントラストは２次電子制限板３１の孔を通過するか否かによって生じているため、上検出器２８（ａ）と下検出器２８（ｂ）で検出した信号を加算すると、孔の影の映りこみを消すことができる。

【0044】

第一の実施例として、２次電子アライナをイメージシフトに連動動作させ、信号弁別する方法について示す。図５は、２つの検出器を用いて合成画像を形成する工程を示すフロチャートである。まず、ホルダー２４を移動して所望の観察位置に試料２３を保持する（ステップ５０１）。この位置において所望のパターンに１次電子を照射するべく、イメージシフトを数ｕｍの範囲で使用する（ステップ５０２）。

【0045】

イメージシフトの使用量に基づき、高角の２次電子２（ａ）を２次電子制限板３１に導くための２次電子アライナII（Ｕ）３３（ａ）、２次電子アライナII（Ｌ）３３（ｂ）の制御量を算出する（ステップ５０３）。この制御量（偏向電流、或いは電圧等の動作条件）とイメージシフト量（偏向電流、或いは電圧等の動作条件）を関連付けて、図示しないメモリに記憶しておけば、後からその条件を再現することができる。

【0046】

このとき２次電子制限板３１の孔が光軸上にあり１次電子通過孔と共通となっていても良く、光軸外に設置されていても良い。光軸外に２次電子制限板３１を配置した場合、あるいは軸ずれなどによって２次電子制限板３１が光軸から離れた位置にある場合、２次電子制限板３１孔の画像への映り込み位置が画面中心から離れた位置に現れる。これらのずれに対して、あらかじめ２次電子到達位置を制御式に基づき調整しておく（ステップ５０４）。

【0047】

エネルギーフィルタを使用する場合は、エネルギーフィルタの効率の高い進入角度になるように２次電子アライナＩ３２を制御できるようにしておく。２次電子アライナはいずれも、あらかじめ電場と磁場のウィーン条件を調整され、偏向感度を求められているものとする。偏向器に走査信号を入力してスキャンを開始し、上検出器２８（ａ）および下検出器２８（ｂ）で検出した信号を記憶装置４５に保存する（ステップ５０５）。

【0048】

このとき、試料帯電によって２次電子軌道が偏向される可能性を考える必要がある。１次電子を絶縁性試料に照射すると、入射された１次電子と放出された２次電子の数が異なったとき、試料が正または負に帯電することが知られている。試料が帯電すると、帯電が作る電界によって２次電子が偏向されるため、高角成分の２次電子２（ａ）が２次電子制限板３１の孔から外れた位置に到達し、角度弁別機能が低下する。

【0049】

この場合、２次電子制限板３１孔の映り込み位置の変化から、あらかじめ調整した孔の位置ずれとは別に、２次電子軌道を再度制御する必要がある。画像から２次電子制限板３１孔の映り込み位置を特定し、画面中心からの距離、角度を算出する（ステップ５０６）。２次電子アライナに対する孔位置の変化感度はあらかじめ調整時に分かっているので、孔位置を画面中心に移動するために必要な２次電子アライナII（Ｕ）３３（ａ）、２次電子アライナII（Ｌ）３３（ｂ）の制御量を再計算し、出力する（ステップ５０７）。

【0050】

次に、あらかじめオペレーターにより画像を合成するか否か設定がなされているものとする。画像Ｓ／Ｎを稼ぐ、あるいは２次電子制限板３１の孔の映り込み低減を目的として画像合成する場合は、上検出器２８（ａ）と下検出器２８（ｂ）の信号を任意の演算式に基づいて乗除・加減算した後に画像化する（ステップ５０８、５０９）。画像合成しない場合は、各々の検出器で検出した２枚の画像を同時に取得できる。上検出器２８（ａ）では高角成分の信号あるいはエネルギーフィルタされた高角成分の信号、下検出器２８（ｂ）では低角成分の信号が検出される。例えば、高角成分に多く含まれるパターン底部の情報を上検出器２８（ａ）で検出し、低角成分に多く含まれるパターン上部の情報を下検出器２８（ｂ）で検出し、パターン底部と上部を同時に分けて観察するといった使い方が可能になる。

【0051】

第二の実施例として、２次電子アライナとエネルギーフィルタを用いた組み合わせについて示す。エネルギーフィルタのエネルギー分解能の関係は、電界のばらつきや電子の入射角度のばらつきに依存する。電子の入射角度の変化は、エネルギーフィルタの閾値エネルギーを変化させるため画像コントラストのばらつきの要因となる。２次電子アライナII（Ｕ）３３（ａ）、２次電子アライナII（Ｌ）３３（ｂ）を用いると、２次電子制限板の中心を光軸に平行に２次電子２（ａ）を通すことができる。この状態で２次電子アライナＩ３２に常に一定値を入力しておけば、イメージシフトの使用に関らずエネルギーフィルタに入射する２次電子の角度を一定に保つことができるため、コントラストを安定して画像取得することができる。さらに、図６に示すように２次電子アライナＩ３２を２段でのウィーンフィルタで構成すれば、２次電子２（ａ）をエネルギーフィルタ３５入射時に光軸に平行にすることができるため、フィルタをメッシュ・電極などで構成した場合などには理想的なエネルギー分解能を期待できる。

【0052】

第三の実施例として、２次電子アライナを複数個配置することによって２次電子アライナ自身の発生する収差を打ち消し、１次電子の試料上での広がりを抑制する方法について示す。理想的なウィーンフィルタでは、１次電子の軌道に影響せずに２次電子のみを偏向することが可能である。しかし、一般にウィーンフィルタの発生する電場と磁場は光軸に沿って必ずしも一致しない。１次電子は電子源から放出される際にエネルギー分散を持ち、ウィーンフィルタ通過時に軌道分散が発生するため、試料上でビーム広がりが発生する。これを回避する手段として、一対の同等のウィーンフィルタを上下に配置し、反対方向に偏向する手法が知られている。

【0053】

２次電子アライナII（Ｕ）３３（ａ）、２次電子アライナII（Ｌ）３３（ｂ）は打ち消す方向で用いるため、発生する収差は小さい。２次電子アライナＩ３２の収差を打ち消すために、２次電子の制御と関係のない反射板２７の上方に２次電子アライナをもう一つ設ける。追加した２次電子アライナは２次電子の軌道に関らず、常に２次電子アライナＩ３２と反対方向に同角度偏向するように制御されるのが良い。一対の２次電子アライナで使用する量が異なる場合、例えば２次電子アライナII（Ｕ）３３（ａ）、２次電子アライナII（Ｌ）３３（ｂ）使用時に残る収差が気になる場合は、それを打ち消すように２次電子アライナ制御に重畳しても良い。

【0054】

第四の実施例として、上下２段で検出した画像の合成方法について示す。図７の上部に示す図は、観察対象となるデバイス構造の一例の断面を示したものである。パターン１０１は上部にあるライン形状のパターンであり、その下にテーパ付きのホールパターンを有する膜１０２があり、その下層に膜１０３がある。このデバイス構造をトップから上検出器２８（ａ）で観察すると、図７（ａ）に示す様に下層１０３のコントラストが明るい画像が得られる。これは２次電子制限板３１を用いて高角成分の２次電子（ａ）を選択的に検出した結果であり、底部分１０３は高角方向に放出される２次電子を多く含むためである。一方、下検出器２８（ｂ）で検出すると、図７（ｂ）に示すように逆にトップ部分１０１のコントラストが強調される。これはライン部から放出された２次電子が低角成分を多く含むためである。ここで中間層１０２のテーパと下層１０３との境界の輪郭を観察したい場合、ライン１０１のコントラストは必要の無い余計な情報である。そこで図７（ａ）と図７（ｂ）におけるライン部１０１の明るさが同じになるように画像明るさを乗除算し、その状態で図７（ａ）から図７（ｂ）を減算する。即ち、画像の特定部位のコントラストを相殺するようにして合成画像を形成する。すると、図７（ｃ）に示すようにライン部１０１のコントラストを消去した画像を得ることができる。この画像ではライン部１０１のコントラストが無いため、所望の観察位置である中間層１０２と下層１０３との境界部における明るさのダイナミックレンジを広げることができ、精度の良い観察が可能となる。画像取得中に合成画像の明るさを調整できるようにしておけば、ダイナミックレンジを最適化して合成画像を取得することができる。

【0055】

なお、上述の実施例では変換電極を用いて、試料から放出された電子を三次電子に変換した上で検出する例を説明したが、変換電極に代えて、ＭＣＰ（Multi Channel Plate）検出器のような試料から放出された電子を直接検出する検出器であっても良い。この場合、下段に配置される検出器は、低角成分を遮断する遮断部材となる。

【0056】

上記実施例によれば、２次電子の軌道を制御して２次電子制限板を用いたときの検出効率を一定に保ち、イメージシフトを使用しても常に同等の画像を得ることが可能になる。また、２次電子制限板の上段に配置されたエネルギーフィルタに対して２次電子が一定の角度で進入できるようになるため、エネルギー分解能を一定に保って画像を安定に取得することができるようになる。

【符号の説明】

【0057】

１１ 電界放出陰極
１２ 引出電極
１３ 引出電圧
１４ コンデンサレンズ
１５ 絞り
１７ 対物レンズ
１８ 加速円筒
２０ ガイド
２１ 上走査偏向器
２２ 下走査偏向器
２３ 試料
２４ ホルダー
２５ 上イメージシフト
２６ 下イメージシフト
２７ 反射板
２８（ａ） 上検出器
２８（ｂ） 下検出器
３１ ２次電子制限板
３２ ２次電子アライナＩ
３３（ａ） ２次電子アライナII（Ｕ）
３３（ｂ） ２次電子アライナII（Ｌ）
３４ エネルギーフィルタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】