特許 6919063 荷電粒子線応用装置

(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】6919063

(24)【登録日】2021年7月27日

(45)【発行日】2021年8月11日

(54)【発明の名称】荷電粒子線応用装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/05 20060101AFI20210729BHJP

   H01J 37/147 20060101ALI20210729BHJP

   H01J 37/244 20060101ALI20210729BHJP

   H01J 37/28 20060101ALI20210729BHJP

   H01J 37/29 20060101ALI20210729BHJP

【ＦＩ】

   H01J37/05

   H01J37/147 B

   H01J37/244

   H01J37/28 B

   H01J37/29

【請求項の数】15

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2020-508885(P2020-508885)

(86)(22)【出願日】2018年3月30日

(86)【国際出願番号】JP2018013901

(87)【国際公開番号】WO2019187118

(87)【国際公開日】20191003

【審査請求日】2020年7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

(74)【代理人】

【識別番号】110001678

【氏名又は名称】特許業務法人藤央特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】白崎 保宏

(72)【発明者】

【氏名】土橋 高志

(72)【発明者】

【氏名】圓山 百代

(72)【発明者】

【氏名】池上 明

(72)【発明者】

【氏名】川本 雄太

【審査官】 鳥居 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−１２４７１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−２３３０６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ３７／０５

Ｈ０１Ｊ ３７／１４７

Ｈ０１Ｊ ３７／２４４

Ｈ０１Ｊ ３７／２８

Ｈ０１Ｊ ３７／２９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

荷電粒子の一次ビームを試料に照射することによって発生する荷電粒子の二次ビームを検出する、荷電粒子線応用装置であって、
前記試料に照射する前記一次ビームを出力する一次ビーム源と、
前記一次ビームが直進し、前記一次ビームの軌道と前記二次ビームの軌道とが分離されるように、内部電磁場を生成する、ビームセパレータと、
前記ビームセパレータの内部電磁場を生成する電極及びコイルに印加する電圧及び電流を制御する制御部と、
前記ビームセパレータからの前記二次ビームを検出する検出器と、を含み、
前記ビームセパレータは、
第１の磁極と、
前記第１の磁極と対向する、第２の磁極と、
前記第１の磁極の前記第２の磁極に対向する第１の面において、前記一次ビームの光軸に沿って延び、前記光軸と垂直な第１の方向に配列された第１の電極及び第２の電極と、
前記第２の磁極の前記第１の磁極に対向する第２の面において、前記光軸に沿って延び、前記第１の電極及び前記第２の電極にそれぞれ対向している、第３の電極及び第４の電極と、を含む、
荷電粒子線応用装置。

【請求項2】

請求項１に記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記第２の電極に与えられる電位は、前記第１の電極に与えられる電位よりも高く、
前記第４の電極に与えられる電位は、前記第３の電極に与えられる電位よりも高い、
荷電粒子線応用装置。

【請求項3】

請求項１に記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記ビームセパレータは、前記二次ビームの軌道に沿って前記第１の磁極と前記検出器との間に配置されている、第３の磁極と、
前記第３の磁極と対向する第４の磁極と、をさらに含み、
前記第３の磁極と前記第４の磁極とは、前記内部電磁場の磁場と同一方向であって、前記第１の磁極と前記第２の磁極との間の空間から出た前記二次ビームを偏向する内部磁場、を形成する、荷電粒子線応用装置。

【請求項4】

請求項３に記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記第１の磁極の前記第３の磁極の側の端から前記光軸までの前記第１の方向に沿った距離は、前記第１の磁極の前記第１の面と前記第２の磁極の前記第２の面との間の距離の半分以上である、荷電粒子線応用装置。

【請求項5】

請求項１に記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記第１の面において、前記光軸に沿って延び、前記第１の電極と前記第２の電極との間に前記第１の方向に配列された、第５の電極及び第６の電極と、
前記第２の面において、前記光軸に沿って延び、前記第５の電極及び前記第６の電極にそれぞれ対向している、第７の電極及び第８の電極、をさらに含む、荷電粒子線応用装置。

【請求項6】

請求項５に記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記第６の電極に与えられる電位は、前記第５の電極に与えられる電位よりも高く、前記第２の電極に与えられる電位より低く、
前記第５の電極に与えられる電位は、前記第１の電極に与えられる電位よりも高く、
前記第８の電極に与えられる電位は、前記第７の電極に与えられる電位よりも高く、前記第４の電極に与えられる電位より低く、
前記第７の電極に与えられる電位は、前記第３の電極に与えられる電位よりも高い、
荷電粒子線応用装置。

【請求項7】

請求項１に記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記第１の面に前記第１の方向において配列され、前記第１の電極及び前記第２の電極を含む前記光軸に沿って延びる複数の電極からなり、隣接する電極が抵抗で連結されている、第１の電極群と、
前記第２の面に前記第１の方向において配列され、前記第３の電極及び前記第４の電極を含み、前記第１の電極群のそれぞれと対向する複数の電極からなり、隣接する電極が抵抗で連結されている、第２の電極群と、をさらに含み、
前記第１の電極群及び前記第２の電極群それぞれの両端の電極に電圧が与えられている、荷電粒子線応用装置。

【請求項8】

請求項１に記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記第１の電極と前記第２の電極との間を連結し、前記第１の電極及び前記第２の電極よりも抵抗値が大きい材料で形成されたシート状の第１のボディ部と、
前記第３の電極と前記第４の電極との間を連結し、前記第３の電極及び前記第４の電極よりも抵抗値が大きい材料で形成されたシート状の第２のボディ部と、をさらに含み、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電圧が与えられ、前記第３の電極と前記第４の電極との間に電圧が与えられる、荷電粒子線応用装置。

【請求項9】

請求項１に記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記試料と前記ビームセパレータとの間に配置されたイメージシフト偏向器と、
前記イメージシフト偏向器と前記ビームセパレータとの間に配置され、前記イメージシフト偏向器によるイメージシフトに連動して前記二次ビームを前記ビームセパレータへ振り戻す、振り戻し偏向器と、をさらに含む荷電粒子線応用装置。

【請求項10】

請求項１に記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記ビームセパレータと前記検出器との間の二次光学系をさらに含み、
前記検出器は複数のセンサを含み、前記試料からの複数の二次ビームを同時に検出可能である、荷電粒子線応用装置。

【請求項11】

請求項１０に記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記一次ビーム源と前記ビームセパレータとの間に配置され、前記一次ビーム源からの一次ビームを複数の一次ビームに分割する分割器をさらに含む、荷電粒子線応用装置。

【請求項12】

荷電粒子の一次ビームを試料に照射することによって発生する荷電粒子の二次ビームを検出する、荷電粒子線応用装置であって、
前記試料に照射する前記一次ビームを出力する一次ビーム源と、
互いに対向する第１の電磁極ユニットと第２の電磁極ユニットとを含み、前記一次ビームが直進し、前記一次ビームの軌道と前記二次ビームの軌道と分離が分離されるように、内部電磁場を生成する、ビームセパレータと、
前記ビームセパレータからの前記二次ビームを検出する検出器と、を含み、
前記第１の電磁極ユニットは、磁性体からなり、前記一次ビームの光軸に沿って延びる第１の板を含み、
前記第２の電磁極ユニットは、前記光軸に垂直な第２の方向において前記第１の板に対向し、磁性体からなり、前記光軸に沿って延びる第２の板を含み、
前記光軸の前記第２の方向における位置は、前記第１の板及び前記第２の板の前記第２の方向における位置の間にあり、
前記第１の板は、前記第２の板に対向する面に第１及び第２の磁極を含み、
前記第２の板は、前記第１及び第２の磁極に対向する第３及び第４の磁極を含み、
前記第１及び第２の磁極は、前記光軸に沿って延び、前記光軸及び前記第２の方向に垂直な第１の方向に配列され、
前記第３及び第４の磁極は、前記光軸に沿って延び、前記第１の方向に配列され、前記第１及び第２の磁極に対してそれぞれ磁界を生じさせ、
前記第２の磁極に与えられる電位は、前記第１の磁極に与えられる電位よりも高く、
前記第４の磁極に与えられる電位は、前記第３の磁極に与えられる電位よりも高い、
荷電粒子線応用装置。

【請求項13】

請求項１２に記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記試料と前記ビームセパレータとの間に配置されたイメージシフト偏向器と、
前記イメージシフト偏向器と前記ビームセパレータとの間に配置され、前記イメージシフト偏向器によるイメージシフトに連動して前記二次ビームを前記ビームセパレータへ振り戻す、振り戻し偏向器と、をさらに含む荷電粒子線応用装置。

【請求項14】

請求項１２に記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記ビームセパレータと前記検出器との間の二次光学系をさらに含み、
前記検出器は複数のセンサを含み、前記試料からの複数の二次ビームを同時に検出可能である、荷電粒子線応用装置。

【請求項15】

請求項１４に記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記一次ビーム源と前記ビームセパレータとの間に配置され、前記一次ビーム源からの一次ビームを複数の一次ビームに分割する分割器をさらに含む、荷電粒子線応用装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は荷電粒子線応用装置に関する。

【背景技術】

【0002】

微細な構造を観察するために荷電粒子線応用装置が使われている。半導体製造プロセスにおいては、半導体デバイスの寸法や形状の計測または検査に電子ビーム等の荷電粒子線を利用する荷電粒子線応用装置が使用されている。その一例にＳｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）がある。ＳＥＭは電子源から発生する電子ビーム（以下、一次ビーム）を観察したい試料に照射し、それにより発生する二次電子を検出器で検出して電気信号に変換し、画像を生成する。

【0003】

二次電子を検出するには、二次電子の軌道（以下、二次ビーム）を一次ビームから分離するビームセパレータが必要とされる。ビームセパレータとして、広い磁場領域でビームを偏向する磁場セクタと、局所的な領域に発生する電磁場でビームを偏向するＥｘＢが知られている。また、例えば特許文献１は、電場と磁場によるビームセパレータを開示する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００３−１８７７３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ＳＥＭは、その取得する画像のコントラストを向上のために、二次ビームの直接検出及び信号弁別を行う検出光学系を必要とする。検出光学系を一次ビームに干渉させることなく配置するためには、二次ビームを大角偏向できるビームセパレータが望まれる。

【0006】

しかし、従来の磁場セクタは、二次ビームを大角偏向（９０度）させることができるが、一次ビームを偏向させるため、つまり、一次ビームが曲線光学系であるため、光軸調整が困難である。また、従来の磁場セクタは、その背が高く、他の光学素子と干渉しやすい。ＥｘＢは、一次ビームの制御が比較的に簡便であるが、原理的に二次ビームの偏向角度が小さい。そのため、二次ビームを検出光学系へ導くための二次光学系や一次ビームにとってＥｘＢの上流に配置する光学素子を、ＥｘＢから距離をおいて配置する必要がある。これは、光学条件に対する制約が大きいだけではなく、ＳＥＭのカラム長を長くし、外部からの振動の影響を受けやすくなり、一次ビームの分解能劣化を及ぼす。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一例は、荷電粒子の一次ビームを試料に照射することによって発生する荷電粒子の二次ビームを検出する、荷電粒子線応用装置であって、試料に照射する一次ビームを出力する一次ビーム源と、前記一次ビームが直進し、前記一次ビームの軌道と前記二次ビームの軌道とが分離されるように、内部電磁場を生成する、ビームセパレータと、前記ビームセパレータの内部電磁場を生成する電極及びコイルに印加する電圧及び電流を制御する制御部と、前記ビームセパレータからの前記二次ビームを検出する検出器と、を含み、前記ビームセパレータは、第１の磁極と、前記第１の磁極と対向する、第２の磁極と、前記第１の磁極の前記第２の磁極に対向する第１の面において、前記一次ビームの光軸に沿って延び、前記光軸と垂直な第１の方向に配列された第１の電極及び第２の電極と、前記第２の磁極の前記第１の磁極に対向する第２の面において、前記光軸に沿って延び、前記第１の電極及び前記第２の電極にそれぞれ対向している、第３の電極及び第４の電極、を含む。

【0008】

本開示の他の一例は、荷電粒子の一次ビームを試料に照射することによって発生する荷電粒子の二次ビームを検出する、荷電粒子線応用装置であって、試料に照射する一次ビームを出力する一次ビーム源と、互いに対向する第１の電磁極ユニットと第２の電磁極ユニットとを含み、前記一次ビームが直進し、前記一次ビームの軌道と前記二次ビームの軌道と分離が分離されるように、内部電磁場を生成する、ビームセパレータと、前記ビームセパレータからの前記二次ビームを検出する検出器と、を含み、前記第１の電磁極ユニットは、磁性体からなり、前記一次ビームの光軸に沿って延びる第１の板を含み、前記第２の電磁極ユニットは、前記光軸に垂直な第２の方向において前記第１の板に対向し、磁性体からなり、前記光軸に沿って延びる第２の板を含み、前記光軸の前記第２の方向における位置は、前記第１の板及び前記第２の板の前記第２の方向における位置の間にあり、前記第１の板は、前記第２の板に対向する面に第１及び第２の磁極を含み、前記第２の板は、前記第１及び第２の磁極に対向する第３及び第４の磁極を含み、前記第１及び第２の磁極は、前記光軸に沿って延び、前記光軸及び前記第２の方向に垂直な第１の方向に配列され、前記第３及び第４の磁極は、前記光軸に沿って延び、前記第１の方向に配列され、前記第１及び第２の磁極に対してそれぞれ磁界を生じさせ、前記第２の磁極に与えられる電位は、前記第１の磁極に与えられる電位よりも高く、前記第４の磁極に与えられる電位は、前記第３の磁極に与えられる電位よりも高い、荷電粒子線応用装置。

【発明の効果】

【0009】

本開示の一態様によれば、一次ビームの制御が簡便であり、二次ビームを大角偏向させることで二次ビームの直接検出及び信号弁別を行う、荷電粒子線応用装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施例１に係る電子ビーム観察装置の概略構成を示す図である。

【図2A】実施例１に係るビームセパレータを、一次ビームの光軸に垂直な方向において見た、正面図を示す。

【図2B】図２ＡにおけるＩＩＢ−ＩＩＢ切断線での断面図を示す。

【図2C】ビームセパレータにおける、磁極のサイズの例を示す。

【図2D】二次ビームの信号弁別を行うための二次光学系及び検出器の具体的な構成例を示す。

【図3A】実施例２に係るビームセパレータを、一次ビームの光軸に垂直な方向において見た、正面図を示す。

【図3B】図３ＡにおけるＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ切断線での断面図を示す。

【図4】実施例２に係るビームセパレータにおいて、抵抗により連結された電極の構成例を示す。

【図5A】実施例２に係るビームセパレータにおいて、電場を形成する他の構成例を示す。

【図5B】図５Ａに示す構成例の上面図を示す。

【図6A】実施例３に係るビームセパレータを、一次ビームの光軸に垂直な方向において見た、正面図を示す。

【図6B】実施例３に係るビームセパレータを光軸に沿ってみた上面図を示す。

【図7】実施例４に係る電子ビーム観察装置の構成例の一部を示す。

【図8】実施例５に係るマルチビーム型電子ビーム観察装置の構成例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を用いて実施例を説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一の要素には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略される。以下において、荷電粒子線応用装置の例として、電子ビームを使用した試料の観察装置（電子顕微鏡）を示すが、イオンビームを使用する装置の他、計測装置や検査装置においても、本開示の特徴の効果は失われない。

【実施例1】

【0012】

図１は、荷電粒子線応用装置の一例である、実施例１に係る電子線観察装置の概略構成を示す図である。まず、装置構成について説明する。電子源１０１（一次ビーム源）から試料１０６へ向けて引き出された一次ビーム１０２の軌道上に、ビームセパレータ１０３、走査用偏向器１０４、対物レンズ１０５が配置されている。

【0013】

試料１０６は、試料搬送ステージ１０７の上に配置されている。試料１０６に照射された一次ビーム１０２は、試料１０６の表面付近の物質と相互に作用し、二次ビーム１０９を生成する。二次ビーム１０９に作用する光学素子として、二次ビームを検出器へ導く二次光学系１１１及び検出器１１３が配置されている。二次光学系１１１及び検出器１１３は、ビームセパレータ１０３外に配置されている。二次光学系１１１及び検出器１１３の構成は二次ビームの信号弁別の有無や、弁別する場合はその信号の種類に依存し、具体的な構成例は後ほど説明する。

【0014】

電子ビームの電流や軸を調整するために、絞り、レンズ、アライナ、スティグメーター等も付加されてもよい（図示せず）。なお、本明細書において、電子源、レンズ、アライナ、検出器等の荷電粒子線に作用を及ぼす素子を光学素子と総称する。

【0015】

本実施例における走査用偏向器１０４、対物レンズ１０５、二次光学系１１１は、各光学素子が有するコイルに印加された励磁電流によって磁場を生成し、一次ビーム１０２又は二次ビーム１０９（電子ビーム）に対して作用を及ぼす。これら光学素子は、電場又は磁場及び電場の複合を生成し、電子ビームに対して作用を及ぼしてもよい。

【0016】

上記の全ての光学素子は、システム制御部１１４によって制御される。例えば、システム制御部１１４は各光学素子へ与える電流量や電圧を制御する。ユーザは、ユーザターミナル１１５を用いて、各光学素子の設定を確認及び変更することができる。ユーザターミナル１１５は、入出力デバイスを伴う計算機である。

【0017】

本装置構成を用いた試料の画像の取得方法を説明する。電子源１０１から放出された一次ビーム（電子ビーム）１０２は、ビームセパレータ１０３の出入口１１０Ａからビームセパレータ１０３に入射する。ビームセパレータ１０３の構造及び電子ビームに対する作用の詳細は後述する。

【0018】

一次ビーム１０２は、ビームセパレータ１０３内を直進し、ビームセパレータ１０３の出入口１１０Ｂから出射する。ビームセパレータ１０３から出射した一次ビーム１０２は、走査用偏向器１０４、対物レンズ１０５を通過した後に、試料１０６上の位置１１２で集束される。走査用偏向器１０４の励磁電流は、一次ビーム１０２が試料１０６上を走査するように、システム制御部１１４により制御される。

【0019】

試料１０６にはリターディング電圧源１０８により負電圧が印加されているため、一次ビーム１０２は減速された後、試料１０６に照射される。本例においてはリターディング電圧源１０８で試料１０６に負電圧を印加するが、印加電圧に制限はなく、０ｋＶでもよい。試料１０６に照射された一次ビーム１０２は表面付近の物質と相互に作用し、試料の形状や材料に応じて反射電子やそれ以外の二次電子が発生する。本実施例では、これらの電子をまとめて二次電子と呼ぶ。

【0020】

試料１０６にリターディング電圧源１０８による負電圧が掛かっているため、位置１１２から発生した二次電子は、加速されつつ一次ビーム１０２の軌道を逆戻りする二次ビーム１０９となる。二次ビーム１０９は、対物レンズ１０５及び走査用偏向器１０４を通過した後、ビームセパレータ１０３の出入口１１０Ｂからビームセパレータ１０３に入射する。

【0021】

ビームセパレータ１０３は、入射した二次ビーム１０９が所定角度偏向するように、システム制御部１１４によって制御されている。

【0022】

二次ビーム１０９は、ビームセパレータ１０３の出入口１１０Ｃからビームセパレータ１０３を出射する。ビームセパレータ１０３を出射した二次ビーム１０９は、二次光学系１１１を介して、検出器１１３に入射する。検出器１１３は、二次ビーム１０９を検出し、検出信号に変換する。検出信号の値は、一次ビーム１０２が照射する位置１１２での試料１０６の形状や材質に応じて変化する。システム制御部１１４は、検出信号の値それぞれを輝度に変換して、ＳＥＭ画像を生成する。ユーザターミナル１１５は、生成されたＳＥＭ画像を表示する。

【0023】

次に、本実施例におけるビームセパレータ１０３の構成例を、図２Ａ及び図２Ｂを用いて説明する。図２Ａは、ビームセパレータ１０３を一次ビーム１０２の光軸（進行方向）に垂直な方向において、紙面手前側から見た、正面図を示す。図２Ａにおいて、ビームセパレータ１０３の内部構造の一部は破線で示されている。図２Ｂは、図２ＡにおけるＩＩＢ−ＩＩＢ切断線での断面図を示す。

【0024】

ビームセパレータ１０３は、互いに対向し、平行な、２枚の板２５１及び２５２を含む。板２５１及び２５２は、磁性体であり、例えば、鉄、ニッケル、又はこれらの合金等で形成されている。本例において、板２５１及び２５２の形状は鏡面対称である。

【0025】

板２５１及び２５２の対向面には、磁極２０１〜２０４それぞれを画定する環状溝（例えば矩形環状）が形成されている。環状溝内には、それぞれ、コイル２３１〜２３４が埋め込まれており、板２５１及び２５２の一部が磁極を構成する。

【0026】

具体的には、図２Ｂに示すように、板２５１の板２５２に対向する面には、コイル２３１及び２３３が埋め込まれている。コイル２３１が囲む（画定する）板２５１の部分は磁極２０１を構成している。コイル２３３が囲む（画定する）板２５１の部分は磁極２０３を構成している。

【0027】

図２Ａに示すように、磁極２０１及び磁極２０３は、板２５１の面上、一次ビーム１０２の光軸に沿って延びており、磁極２０１は一次ビーム１０２及び二次ビーム１０９に、磁極２０３は二次ビーム１０９のみに作用する構成となっている。

【0028】

図２Ｂに示すように、板２５２の板２５１に対向する面には、コイル２３２及び２３４が埋め込まれている。コイル２３２が囲む（画定する）板２５２の部分は磁極２０２を構成している。コイル２３４が囲む（画定する）板２５２の部分は磁極２０４を構成している。

【0029】

図２Ａに示すように、磁極２０２及び磁極２０４は、板２５２の面上、一次ビーム１０２の光軸に沿って延びており、磁極２０２は一次ビーム１０２及び二次ビーム１０９に、磁極２０４は二次ビーム１０９のみに作用する構成となっている。

【0030】

図２Ｂに示すように、磁極２０１及び２０２は、互いに対向している。磁極２０１及び２０２の対向面は平行である。磁極２０１及び２０２の対向面の形状は鏡面対称である。さらに、磁極２０３及び２０４は、互いに対向している。磁極２０３及び２０４の対向面は平行である。磁極２０３及び２０４の対向面の形状は鏡面対称である。

【0031】

本実施例において、磁極２０１〜２０４の正面図における形状は矩形であるが、形状は特に限定されず、例えば、平面視において矩形以外の形状を有することができる。

【0032】

ビームセパレータ１０３には、一次ビーム１０２を直進させ、二次ビーム１０９を大角偏向するための磁場と電場が形成されている。ビームセパレータ１０３内の磁場について説明する。コイル２３１〜２３２に電流を流すことによって磁極２０１及び２０２の間に磁場が形成される。図２Ｂの例において、その磁場（の磁束）は、磁極２０２から磁極２０１に向かっている。さらに、コイル２３３〜２３４に電流を流すことによって磁極２０３及び２０４の間に磁場が形成される。図２Ｂの例において、その磁場（の磁束）は、磁極２０４から磁極２０３に向かっている。システム制御部１１４は、図２Ｂに示す磁場を形成するように、コイル２３１〜２３４に励磁電流を与える。システム制御部１１４は、磁極２０２と磁極２０１との間の磁場と、磁極２０４と磁極２０３との間の磁場とを、独立に制御することができる。

【0033】

次に、ビームセパレータ１０３内の電場について説明する。磁極２０１上には、電極２２１及び２２２が配置されている。電極２２１及び２２２と磁極２０１との間には、不図示の絶縁層が存在し、磁極２０１を電極２２１及び２２２から絶縁している。図２Ａに示すように、電極２２１及び２２２は、磁極２０１の面上、一次ビーム１０２の光軸に沿って延びた帯状であり、一次ビーム１０２の光軸と垂直な方向に配列されている。図２Ａにおいて、電極２２１及び２２２は、左右方向に配列されている。

【0034】

磁極２０２上には、電極２２３及び２２４が配置されている。電極２２３及び２２４と磁極２０２との間には、不図示の絶縁層が存在し、磁極２０２を電極２２３及び２２４から絶縁している。図２Ａに示すように、電極２２３及び２２４は、磁極２０２の面上、一次ビーム１０２の光軸に沿って延びた帯状であり、一次ビーム１０２の光軸と垂直な方向に配列されている。図２Ａにおいて、電極２２３及び２２４は、左右方向に配列されている。

【0035】

本実施例において、電極２２１及び２２３は互いに対向しており、それらの形状は鏡面対称である。また、電極２２２及び２２４は互いに対向しており、それらの形状は鏡面対称である。

【0036】

電極２２１〜２２４に電圧を印加することによって、磁極２０１及び２０２の間に電場が形成される。図２Ｂの例において、電場（の電束）は、電極２２２及び２２４から電極２２１及び２２３に向かう。つまり、電極２２２及び２２４の電位は、電極２２１及び２２３の電位に対して、相対的にプラスである。この結果、磁極２０１及び２０２の間の一次ビーム１０２付近の空間において、直交した磁場と電場が形成される。なお、電極２２１〜２２４に磁性体を用いることで磁極２０１及び２０２の間の磁気抵抗を減らし、コイル２３１及び２３２に必要な励磁電流を軽減することができる。

【0037】

システム制御部１１４は、図２Ｂに示す電場が形成されるように、電極２２２〜２２４に電位を与える。例えば、電極２２２及び２２４に与える電位は同一であり、電極２２１及び２２３に与える電位は同一である。なお、電極２２２及び２２４並びに電極２２１及び２２３に与える電位が異なっていてもよい。

【0038】

図２Ａに示すように、一次ビーム１０２は、ビームセパレータ１０３内の磁極２０１、磁極２０２、電極２２１〜２２４で囲まれている空間を通過する。磁極２０１及び磁極２０２の間に形成されている一次ビーム１０２付近の電場と磁場は直交しており、それぞれが一次ビーム１０２に及ぼす偏向作用の方向は逆方向である。偏向作用の強度は同一となるようにコイル２３１及び２３２に印加されている電流と電極２２１〜２２４に印加されている電圧がシステム制御部１１４によって制御されている。すなわち、ウィーン条件が成立しており、一次ビーム１０２は、ビームセパレータ１０３内を直進する。これは、従来の一次ビームも偏向する磁場セクタより一次ビームの制御が簡便であることを意味する。

【0039】

具体的には、一次ビームが受ける電場による偏向作用は、図２Ｂにおける左から右に向かい、磁場による偏向作用は、図２Ｂにおける右から左に向かう。電場による力は、一次ビーム１０２の光軸と垂直であって、磁極２０１及び２０２の対向面に沿った方向（面内方向）であり、磁極２０１／２０２から、磁極２０３／２０４に向かう。磁場による力は、一次ビーム１０２の光軸と垂直であって、磁極２０１及び２０２の対向面に沿った方向であり、磁極２０３／２０４から、磁極２０１／２０２に向かう。

【0040】

ビームセパレータ１０３内に入射した二次ビーム１０９は、磁極２０１、磁極２０２、電極２２１〜２２４で囲まれている空間に入る。二次ビーム１０９の進行方向は、一次ビーム１０２と逆方向の成分を含む。したがって、二次ビーム１０９は、磁極２０１、磁極２０２、電極２２１〜２２４で囲まれている空間において、電場及び磁場から同一方向の力を受ける。

【0041】

具体的には、二次ビーム１０９は、図２Ｂにおける左から右に向かう電場による偏向作用及び磁場による偏向作用を受ける。電場及び磁場は、二次ビーム１０９を、磁極２０１及び２０２の面に沿った方向において、検出器１１３に向かって偏向する。このように、磁極２０１、磁極２０２、電極２２１〜２２４による電磁界は、二次ビーム１０９を一次ビーム１０２から分離する。

【0042】

電磁場によって偏向された二次ビーム１０９は、磁極２０１及び２０２の間の空間を出て、磁極２０３及び２０４の間の空間に入る。磁極２０３及び２０４は、磁極２０１及び２０２が生成する磁場と同一方向の磁場を生成している。なお、図２Ａにおいては、電極２２２及び２２４の間の空間を二次ビーム１０９が通過し、二次ビーム１０９は磁極２０１／２０２及び磁極２０３／２０４の領域で連続的に偏向される場合を示す。

【0043】

しかし、二次ビーム１０９は電極２２２及び２２４の間の空間を通過しなくてもよい。また、磁極２０３及び２０４を分割し、磁場が無い領域をビームセパレータ１０３内に設けることによって二次ビーム１０９を連続的に偏向しない場合においても本発明は効果を失わない。なお、ビームセパレータ１０３付近の光学素子に対する制約の緩和や、ＳＥＭのカラム長さが原因となる振動起因の分解能劣化を低減するためには、二次ビーム１０９を大角偏向するビームセパレータ１０３をコンパクトにし、一次ビームの光軸沿いの長さを短くすることが重要である。

【0044】

コンパクトなビームセパレータ１０３における二次ビーム１０９の大角偏向には、二次ビーム１０９が電極２２２及び２２４の間の空間を通過し、一次ビーム１０２より分離された直後に磁極２０３及び２０４の間の磁場で二次ビーム１０９をさらに偏向する方法が有効である。そのためには、磁極２０１／２０３及び磁極２０３／２０４を備えた一体型の板２５１／２５２を用いる。

【0045】

二次ビーム１０９は、磁極２０３及び２０４の間の空間において、図２Ｂにおける左から右に向かう偏向作用を受ける。磁場は、二次ビーム１０９を、磁極２０３及び２０４の面に沿った方向において、検出器１１３に向かって大角偏向された後ビームセパレータ１０３を出射する。

【0046】

図２Ｃは、ビームセパレータ１０３における、磁極のサイズの例を示す。図２Ｃにおいて、磁極２０１と磁極２０２との間の距離、より具体的には、磁極２０１と磁極２０２の対向面の間の距離は、Ｌ１で表わされている。さらに、一次ビーム１０２の光軸と、磁極２０１又は磁極２０２の、磁極２０３又は磁極２０４の側の端との間の距離は、Ｌ２で表わされている。

【0047】

一例において、距離Ｌ２は、距離Ｌ１の半分以上である。この関係を満たすことで、磁極２０３と磁極２０４との間で形成される磁場の一次ビーム１０２への影響を効果的に低減することができる。

【0048】

なお、図２Ｂ及び２Ｃにおいて、磁極２０１と磁極２０２との間の距離（対向面間の距離）と、磁極２０３と磁極２０４との間の距離は、同一であるが、異なっている場合でも本発明の効果は失われない。例えば、磁極２０３と磁極２０４との間の距離は、磁極２０１と磁極２０２との間の距離よりも大きくてもよい。また、磁極２０１と磁極２０２との間の磁場の強さと、磁極２０３と磁極２０４との間の磁場の強さは、同一又は異なる。例えば、磁極２０３と磁極２０４との間の磁場は、磁極２０１と磁極２０２との間の磁場よりも強い。なお、磁極２０３及び２０４は、省略されていてもよい。

【0049】

ビームセパレータ１０３を出射した二次ビーム１０９は、二次光学系１１１を通った後、検出器１１３により検出される。なお、ビームセパレータ１０３は二次ビームを大角偏向するために、一次ビーム１０２の光軸上の光学素子と干渉しないことから二次光学系１１１の配置自由度が高い。ビームセパレータ１０３の二次ビーム偏向角度が９０度の場合、二次光学系１１１をビームセパレータ１０３の出入口１１０Ｃ付近に配置することが可能である。

【0050】

ＳＥＭ画像のコントラストを向上するために二次ビームの直接検出及び信号弁別を行う方法について図２Ｄに示す二次光学系１１１及び検出器１１３の具体的な構成例を用いて説明する。二次光学系１１１は偏向器２６２及びレンズ２６３から構成されており、検出器１１３は複数の検出器２６４Ａ〜２６４Ｃから構成されている。

【0051】

本実施例においては、試料１０６から発生した二次電子を、その放出角度に応じて異なる検出器で検出することによって二次電子の放出角度信号弁別を行った例について説明する。ビームセパレータ１０３を出射した二次ビーム１０９は有限の広がりを持ち、その空間的分布は試料１０６から放出された二次電子のエネルギー及び角度分布に依存する。図２Ｄに示す二次ビーム１０９は、試料１０６から図２Ａにおいて左（図示せず）、上、右（図示せず）に放出された二次ビーム２６１Ａ〜２６１Ｃから構成されている。

【0052】

二次ビーム２６１Ａ〜２６１Ｃは偏向器２６２によって検出器１１３に向けて偏向された後、レンズ２６３によって二次ビーム２６１Ａ〜２６１Ｃがそれぞれ異なる検出器２６４Ａ〜２６４Ｃへ向かって偏向される。二次ビーム２６１Ａ〜２６１Ｃをそれぞれ異なる検出器２６４Ａ〜２６４Ｃで検出することによって二次ビームの信号弁別を行う。検出器２６４Ａ〜２６４Ｃの検出信号をそれぞれ変換して生成されたＳＥＭ画像は、ユーザターミナル１１５に表示される。

【0053】

ユーザターミナル１１５は、検出器２６４Ａ〜２６４Ｃの検出信号から生成した全てのＳＥＭ画像、又はユーザが選択したＳＥＭ画像を表示する。二次ビームの信号弁別を行うことによって、試料１０６から放出される二次電子の放出角度起因のコントラストを向上することが可能となった。

【0054】

なお、二次光学系１１１には、非点補正器、多段レンズ、その他の光学素子が含まれていてもよい。また、光学素子がなくてもよい。また、本実施例では二次電子の放出角度に応じた信号弁別を行ったが、二次光学系１１１にウィーンフィルタ等の光学素子を含めることによって二次電子の放出エネルギーに応じた信号弁別が可能である。

【0055】

図２Ｄに示す検出器１１３は、３つの検出器２６４Ａ〜２６４Ｃから構成されるが、検出器の数は３つ以上でも３つ以下の場合であっても本発明の効果は失われない。また、検出器の配列は一次元でも二次元でもよい。検出器の数が多い方が二次電子の信号弁別を高精度化できることは言うまでもない。以上により、二次ビームの直接検出及び信号弁別が可能な電子線観察装置を実現することができた。

【実施例2】

【0056】

実施例１においては、１対の磁極２０１及び磁極２０２と、２対の電極２２１及び電極２２２と電極２２３及び電極２２４を用いることで一次ビーム１０２は直進し二次ビーム１０９は偏向する電磁場領域をビームセパレータ１０３内に形成した。この場合、一次ビーム１０２の光軸付近の電場が均一な領域が狭い。

【0057】

電場が不均一な領域を一次ビーム１０２が通過すると、一次ビーム１０２はビームセパレータ１０３内を直進しないため、一次ビーム１０２の制御が困難である。また、一次ビーム１０２に対して収差を発生し、ＳＥＭ画像の分解能劣化を及ぼす。そのため、電場が均一な領域が狭いと一次ビーム１０２の光軸調整が困難である。そこで、本実施例においては、ビームセパレータ１０３内の電場の均一性を高め、一次ビーム１０２の光軸調整精度を緩和した電子線観察装置について説明する。

【0058】

図３Ａ〜５Ｂを参照して、実施例２を説明する。図３Ａ及び３Ｂは、ビームセパレータ１０３の他の構成例を示す。装置構成は、ビームセパレータ１０３以外は実施例１の装置構成と同様であるため、説明を割愛する。図３Ａは、ビームセパレータ１０３を一次ビーム１０２の光軸に垂直な方向において、紙面手前側から見た、正面図を示す。図３Ｂは、図３ＡにおけるＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ切断線での断面図を示す。本実施例のビームセパレータ１０３は、実施例１の構成に加えて、電極２２５〜２２８を含む。電極２２５〜２２８により、より均一な電場を生成することができる。

【0059】

電極２２５及び２２６が、磁極２０１上に配置されている。電極２２５及び２２６と磁極２０１との間には、不図示の絶縁層が存在し、磁極２０１を電極２２５及び２２６から絶縁している。図３Ａに示すように、電極２２５及び２２６は、磁極２０１の面上、一次ビーム１０２の光軸に沿って延びており、一次ビーム１０２の光軸と垂直な方向に配列されている。図３Ａにおいて、電極２２５及び２２６は、電極２２１及び２２２の間に配置されている。電極２２１、２２５、２２６及び２２２は、この順で、左右方向、又は、一次ビーム１０２の光軸から検出器１１３に向かう方向に配列されている。

【0060】

電極２２７及び２２８が、磁極２０２上に配置されている。電極２２７及び２２８と磁極２０２との間には、不図示の絶縁層が存在し、磁極２０２を電極２２７及び２２８から絶縁している。図３Ａに示すように、電極２２７及び２２８は、磁極２０２の面上、一次ビーム１０２の光軸に沿って延びており、一次ビーム１０２の光軸と垂直な方向に配列されている。図３Ａにおいて、電極２２７及び２２８は、電極２２３及び２２４の間に配置されている。図３Ａにおいて、電極２２３、２２７、２２８及び２２４は、この順で、左右方向、又は、一次ビーム１０２の光軸から検出器１１３に向かう方向に配列されている。

【0061】

本実施例において、電極２２５及び２２７は互いに対向しており、それらの形状は鏡面対称である。電極２２６及び２２８は互いに対向しており、それらの形状は鏡面対称である。本実施例において、電極２２１〜２２８の形状は同一である。電極２２１〜２２８の形状は異なっていてもよく、電極２２５及び２２７並びに電極２２６及び２２８の図２Ｂにおける左右方向における位置は異なっていてもよい。

【0062】

電極２２１〜２２８によって、電場が形成される。図３Ｂの例において、電場は電極２２２及び２２４から電極２２１及び２２３の方向に向かう。電極２２６に与えられる電位は、電極２２２に与えられる電位より小さく、電極２２５に与えられる電位は、電極２２６に与えられる電位より小さく、電極２２１に与えられる電位は、電極２２５に与えられる電位より小さい。

【0063】

電極２２８に与えられる電位は、電極２２４に与えられる電位より小さく、電極２２７に与えられる電位は、電極２２８に与えられる電位より小さく、電極２２３に与えられる電位は、電極２２７に与えられる電位より小さい。

【0064】

本実施例において、電極２２１及び２２３に与えられる電位は同一であり、電極２２５及び２２７に与えられる電位は同一であり、電極２２６及び２２８に与えられる電位は同一であり、電極２２２及び２２４に与えられる電位は同一である。これら各電極ペアの電極に与えられる電位は異なっていてもよい。

【0065】

本構成例においても、一次ビーム１０２が通過する領域において、電極２２１〜２２８によって形成される電場と磁極２０１及び２０２によって形成される磁場とは直交し、さらに、ウィーン条件を満たす。磁極上に配列される電極の数を増やし、各電極に印加する電圧を調整することで、一次ビーム１０２に対するウィーン条件を満たすと同時にビームセパレータ１０３内に形成される電場の均一性を上げることができる。

【0066】

なお、本実施例においては、電極２２１、２２５、２２６、及び２２２と、それに対向する電極２２３、２２７、２２８、及び２２４から構成される４対の電極で磁極２０１及び２０２の間の磁場に直交する均一な電場を形成した。電極対の数をさらに増やし、各電極の電圧を調整することによって電場の均一な領域を広げることによって一次ビーム１０２の光軸調整精度がさらに緩和できる。

【0067】

各電極２２１〜２２８に、システム制御部１１４の電源回路によって所定の電圧を印加した。そのため、電極の数と同一の数の電圧電源が必要となる。これと異なり、同一の磁極上に配置されている電極を抵抗により連結し、両端の電極のみに電圧を印加する構成でもよい。図４は、抵抗により連結された電極２２１〜２２８の構成例を示す。電極２２１、２２５、２２６、及び２２２の隣接する電極は、抵抗４０１〜４０３により連結されている。電極２２３、２２７、２２８、及び２２４の隣接する電極は、抵抗４０４〜４０６により連結されている。

【0068】

システム制御部１１４は、電極２２１及び２２２に電源回路から所定の電圧を与え、さらに、電極２２３及び２２４に電源回路から所定の電圧を与える。電極２２１、２２５、２２６、及び２２２の電圧は、電極２２１及び２２２と抵抗４０１〜４０３の抵抗値によって定まる。同様に、電極２２３、２２７、２２８、及び２２４の電圧は、電極２２３及び２２４と抵抗４０４〜４０６の抵抗値によって定まる。抵抗４０１〜４０６の抵抗値を調整することによって電極２２５〜２２８の電圧を調整し、磁極２０１及び２０２の間に均一な電場を形成する。

【0069】

例えば、抵抗４０１、４０２、及び４０３の抵抗値は、それぞれ、抵抗４０４、４０５及び４０６の抵抗値と同一である。システム制御部１１４は、電極２２１及び２２３に同一の電位を与え、電極２２２及び２２４に同一の電位を与える。以上より、抵抗４０１〜４０６を用いることによって電極の数より少ない数の電圧電源で均一な電場を生成することができた。

【0070】

図５Ａ及び５Ｂは、電場を生成する他の構成例を示す。ビームセパレータ１０３は、図２Ａ及び２Ｂを参照して説明した実施例１の構成に加え、電極２２１及び２２２を連結する抵抗値の高いシート状の半導電性物質、例えばシリコン等の半導体や半導電性碍子、からなるボディ部５０１、並びに、電極２２３及び２２４を連結するシート状の半導電性物質からなるボディ部５０２を含む。

【0071】

電極２２１〜２２４に電圧を印加するとボディ部５０１及び５０２に電流が流れる。電極２２１及び２２２の間、又は電極２２３及び２２４の間に１０００Ｖ以上の電圧差がある場合、システム制御部１１４内の電源の負荷を低減するために抵抗値が１Ｍｏｈｍ以上のボディ部５０１及び５０２を用いることによって流れる電流を低減することが望ましい。

【0072】

図５Ａは、磁極２０１及び２０２上の配置されている構造体を、一次ビーム１０２の光軸から当該光軸に垂直な方向において見た平面図を示す。図５Ｂは、磁極２０１及び２０２上の配置されている構造体を光軸に沿った方向において見た、当該構造体の上面図を示す。

【0073】

ボディ部５０１及び５０２は、シート状であって、磁極２０１及び２０２それぞれの面に沿って、一次ビーム１０２の光軸と垂直な方向及び平行な方向に広がっている。図５Ａ及び５Ｂに示す例において、ボディ部５０１及び５０２の光軸に平行な方向の長さは、電極２２１〜２２４と同一である。電極２２１及び２２２は、ボディ部５０１と磁極２０１との間において、ボディ部５０１の両端部に接触している。電極２２３及び２２４は、ボディ部５０２と磁極２０２との間において、ボディ部５０２の両端部に接触している。

【0074】

システム制御部１１４は、実施例１と同様に、電極２２１〜２２４それぞれに所定の電位を与える。ボディ部５０１の電位は、電極２２１及び２２２の間で連続的に変化する。具体的には、電極２２２から電極２２１に向かって、電極２２２に与えられている電位から電極２２１に与えられている電位まで低下する。同様に、ボディ部５０２の電位は、電極２２４から電極２２３に向かって、電極２２４に与えられている電位から電極２２３に与えられている電位まで低下する。

【0075】

このように、ボディ部５０１及び５０２の電位が連続的に変化することで、より均一性の高い電場を生成することができる。上記例においては、ボディ部と磁極の面との間に電極が配置されているが、電極と磁極の面との間にボディ部が配置されていてもよい。なお、電場の均一性を高めるための図４、図５Ａ及びＢに示す抵抗またはボディ部を用いた電極構成は、ビームセパレータに限定された使い方ではない。上記に示した電極構成は、電場で荷電粒子線を偏向する偏向器に用いることができる。

【0076】

例えば、ボディ部５０１及び５０２を用いた偏向器の電極構成の場合、ボディ部５０１及び５０２の間の空間において、電極２２１／２２３及び２２２／２２４の間の電圧差に応じて一次ビーム１０２の光軸と垂直な方向及びボディ部５０１／５０２に平行な方向に電場が生成される。また、電極２２１／２２２及び２２３／２２４の間の電圧差に応じて一次ビーム１０２の光軸と垂直な方向及びボディ部５０１／５０２に垂直な方向に電場が生成される。したがって、電極２２１〜２２４の電圧を調整することによって一次ビーム１０２を偏向できる。

【0077】

以上により、ビームセパレータ１０３内の電場の均一性を高め、一次ビーム１０２の光軸調整精度が緩和された電子線観察装置を実現することができた。

【実施例3】

【0078】

実施例１においては、磁極２０１及び磁極２０２と、電極２２１〜２２４を用いることで一次ビーム１０２は直進し二次ビーム１０９は偏向する電磁場領域をビームセパレータ１０３内に形成した。この場合、磁極２０１及び磁極２０２上に精度よく電極２２１〜２２４を配置する必要がある。そこで、本実施例においては、磁極それぞれに所定電圧を印加し、電極としても機能させることで磁極上の電極の配置を不要とする電子線観察装置について説明する。

【0079】

図６Ａ及び６Ｂを参照して、ビームセパレータ１０３の他の構成例を説明する。装置構成は、ビームセパレータ１０３以外は実施例１の装置構成と同様であるため、説明を割愛する。図６Ａは、ビームセパレータ１０３を一次ビーム１０２の光軸に垂直な方向において、紙面手前側から見た、正面図を示す。図６Ｂは、ビームセパレータ１０３を光軸に沿ってみた上面図を示す。ビームセパレータ１０３は、一次ビーム１０２の光軸に垂直な方向において、互いに対向する平行な板６０１及び６０３、並びに、互いに対向する平行な板６０２及び６０４を含む。板６０１〜６０４は磁性体である。

【0080】

板６０１及び６０２は、一次ビーム１０２の光軸に垂直であって、板６０１及び６０３又は板６０２及び６０４が互いに対向する方向と垂直な方向において、離間して配列されている。板６０３及び６０４は、板６０１及び６０２の配列方向と同一方向において、離間して配列されている。

【0081】

板６０１及び６０３の互いの対向面には、不図示のコイルが埋め込まれており、板６０１及び６０３それぞれの一部が磁極を構成している。同様に、板６０２及び６０４の互いの対向面には、不図示のコイルが埋め込まれており、板６０２及び６０４それぞれの一部が磁極を構成している。例えば、板の外周に沿って、矩形環状のコイルが埋め込まれている。板６０１及び６０２は絶縁体からなる板６２１によって固定されている。同様に、板６０３及び６０４は絶縁体からなる板６２２によって固定されている。

【0082】

板６０１及び６０３は、磁場の戻り磁路の役割を果たすピラー６１１及び６１２により連結されている。ピラー６１１及び６１２は、板６０１及び６０３の外側の上下コーナ部に結合しており、光軸に沿った方向において離間している。同様に、板６０２及び６０４は、ピラー６１３及び６１４により連結されている。ピラー６１３及び６１４は、板６０２及び６０４の外側の上下コーナ部に結合しており、光軸に沿った方向において離間している。

【0083】

図６Ｂに示すように、ビームセパレータ１０３は、その内部において、板６０３から板６０１に向かう磁場と、板６０４から板６０２に向かう磁場と、を形成する。四つの板６０１〜６０４で囲まれている空間においても、板６０３から板６０１に向かう磁場と、板６０４から板６０２に向かう磁場を含む磁場が形成される。

【0084】

板６０４から板６０２に向かった磁場は、ピラー６１３及び６１４を通って板６０４に戻る。同様に、板６０３から板６０１に向かった磁場は、ピラー６１１及び６１２を通って板６０３に戻る。なお、他の実施例のビームセパレータ１０３においても、対向する板はピラーにより連結されていてよい。

【0085】

システム制御部１１４は、板６０１〜６０４それぞれに所定電位を与え、電極として機能させる。図６Ａ及び６Ｂに示す例において、板６０１及び６０３に同電位が与えられ、板６０２及び６０４に同電位が与えられる。板６０１及び６０３の電位は、板６０２及び６０４の電位よりも低い。したがって、ビームセパレータ１０３内において、板６０２及び６０４から板６０１及び６０３に向かう電場が形成される。

【0086】

図６Ｂに示すように、四つの板６０１〜６０４で囲まれている空間において、互いに直交する電場及び磁場が形成される。システム制御部１１４は、ビームセパレータ１０３内の一次ビーム１０２が通過する領域においてウィーン条件が成立するように板６０１〜６０４に電圧を印加し板６０１〜６０４に埋め込まれているコイルに電流を流す。したがって、一次ビーム１０２は、ビームセパレータ１０３内を直進することができる。

【0087】

二次ビーム１０９は、四つの板６０１〜６０４で囲まれている空間に入り、磁場及び電場からの力を受けて偏向する。具体的には、二次ビーム１０９は、図６Ａ及び６Ｂにおける左から右への方向に偏向し、板６０２及び６０４で挟まれている空間に入る。二次ビーム１０９は、当該空間における磁場による力を受けて、さらに同方向に大きく偏向する。二次ビーム１０９は、板６０２及び６０４で挟まれている空間から外へ出て、検出器１１３に向かう。なお、本実施例におけるビームセパレータ１０３は、二次ビーム１０９のみに作用する磁極を配備していないが、実施例１と同様に配備されていてもよい。また、図３Ｂに８本の電極を設けたように、８本の磁極で電子線を制御してもよい。

【0088】

以上により、磁極上に電極の配置を必要としないビームセパレータ１０３を用いて二次ビーム１０９を一次ビーム１０２から大角分離する電子線観察装置を実現することができた。

【実施例4】

【0089】

実施例１においては、走査用偏向器１０４によって一次ビーム１０２が試料１０６上で走査された領域がＳＥＭ画像の視野となる。一方、観察視野の移動には、一次ビームを電場または磁場を用いた偏向器で偏向し、試料上の照射位置を移動すること（以下、イメージシフト）が有効である。

【0090】

しかし、その結果、二次ビーム１０９の軌道が変わり、ビームセパレータ１０３への入射条件が変わる。二次ビーム１０９の大角偏向を行うビームセパレータ１０３においては、ビームセパレータ内の飛距離が長いため、入射条件が変わると二次ビームがビームセパレータ１０３内の磁極及び電極に衝突してしまう。そこで、本実施例においては、磁極及び電極に衝突しないようにイメージシフトに連動して二次ビーム１０９の軌道を補正する電子線観察装置について説明する。

【0091】

図７を参照して、実施例４を説明する。図７は、電子ビーム観察装置の構成例の一部を示す。本実施例の電子ビーム観察装置は、図２Ａ及び２Ｂを参照して説明した構成に加え、イメージシフト偏向器７０１と、二次ビーム振り戻し偏向器７０２とをさらに含む。

【0092】

イメージシフト偏向器７０１は、ビームセパレータ１０３と走査用偏向器１０４との間に配置されている。イメージシフト偏向器７０１は、一次ビーム１０２を偏向させて、一次ビーム１０２の試料１０６の照射位置１１２を変える。これにより、試料搬送ステージ１０７を移動することなく、試料１０６の観察領域を変化させることができる。

【0093】

二次ビーム振り戻し偏向器７０２は、イメージシフト偏向器７０１とビームセパレータ１０３との間に配置されている。二次ビーム振り戻し偏向器７０２は、二次ビーム１０９から見てビームセパレータ１０３より上流に配置され、イメージシフトに連動して二次ビーム１０９をビームセパレータ１０３へ振り戻す。これにより、イメージシフト量に拠らず、適切に二次ビーム１０９を検出器１１３で検出することができる。なお、イメージシフト７０１及び二次ビーム振り戻し偏向器７０２の配置関係は逆でもよい。

【0094】

以下において、荷電粒子線応用装置の動作を説明する。主に実施例１との相違点を説明する。一次ビーム１０２は、ビームセパレータ１０３から出射して、二次ビーム振り戻し偏向器７０２及びイメージシフト偏向器７０１を通過する。イメージシフト偏向器７０１の励磁電流は、一次ビーム１０２が所定の角度で偏向するように、システム制御部１１４により制御されている。

【0095】

一次ビーム１０２は、走査用偏向器１０４及び対物レンズ１０５を通過した後に試料１０６上で集束される。走査用偏向器１０４の励磁電流は、スキャニングのために一次ビーム１０２を試料１０６上で移動するように、システム制御部１１４により制御される。また、試料１０６にはリターディング電圧源１０８により負電圧が印加されているため、一次ビーム１０２は、減速した後試料１０６に照射される。

【0096】

試料１０６における一次ビーム１０２の照射位置から発生した二次電子は、リターディング電圧源１０８による負電圧により加速されて二次ビーム１０９を形成する。二次ビーム１０９は、対物レンズ１０５、走査用偏向器１０４及びイメージシフト偏向器７０１を通過する。二次ビーム１０９は、二次ビーム振り戻し偏向器７０２を通過する際に、偏向される。二次ビーム１０９は、ビームセパレータ１０３の出入口１１０Ｂから入射し、出入口１１０Ｃから出射して、二次光学系１１１を通過して、検出器１１３に検出される。

【0097】

二次ビーム振り戻し偏向器７０２は、例えば、二次ビーム１０９のビームセパレータ１０３への入射位置が、イメージシフト偏向器７０１がオフの場合の入射位置に近づくように、システム制御部１１４によって制御される。例えば、二次ビーム振り戻し偏向器７０２は、上記二つの入射位置が一致するように、二次ビーム１０９を偏向する。

【0098】

このように、二次ビーム振り戻し偏向器７０２は、イメージシフト偏向器７０１がオフの場合のビームセパレータ１０３への入射条件に近づくように、二次ビーム１０９を偏向する。二次ビーム振り戻し偏向器７０２による偏向量（振り戻し量）はベクトル量であり、イメージシフト偏向器７０１による偏向量（イメージシフト量）に依存する。

【0099】

二次ビーム振り戻し偏向器７０２は、イメージシフト偏向器７０１がオンの場合に、さらにビームセパレータ１０３への入射位置以外の入射条件の値が、イメージシフト偏向器７０１がオフの場合の入射条件の値に近づくように、二次ビーム１０９を偏向してもよい。例えば、二次ビーム振り戻し偏向器７０２は、イメージシフト偏向器７０１がオンの場合に、ビームセパレータ１０３への入射角度が、イメージシフト偏向器７０１がオンの場合と一致するように、二次ビーム１０９を偏向してもよい。

【0100】

イメージシフト偏向器７０１がオンの場合とオフの場合とで、二次ビームのビームセパレータ１０３への入射条件の差異が小さくなるように、二次ビーム振り戻し偏向器７０２を制御することで、イメージシフトによる二次ビームの検出への悪影響を低減できる。

【0101】

検出器１１３は、二次ビーム１０９を検出する。したがって、電子ビーム観察装置は、システム制御部１１４で、イメージシフト偏向器７０１での偏向量に応じて二次ビーム振り戻し偏向器７０２での偏向量を制御することによって、いずれのイメージシフト量においても、二次電子信号を検出器１１３で適切に検出することができる。

【0102】

以上により、ビームセパレータ１０３の磁極に衝突しないようにイメージシフトに連動して二次ビーム１０９の軌道を補正する電子線観察装置を実現することができた。

【実施例5】

【0103】

実施例１〜４においては、試料１０６に照射する一次ビームは１本であり、広い視野での観察には時間が掛かる。この場合、複数の一次ビームで同時に試料１０６を観察することで観察時間を一次ビームの数だけ短縮できる。そこで、本実施例においては、試料に２本以上の一次ビームを照射するマルチビーム型電子ビーム観察装置について説明する。 図８を参照して、実施例５を説明する。図８は、電子ビーム観察装置の構成例を示す。本開示のビームセパレータ１０３は、マルチビーム型電子ビーム観察装置にも適用することができる。図８において、一部の構成要素、例えば対物レンズは、説明の容易化のために省略されている。

【0104】

マルチビーム型電子ビーム観察装置の一例について説明する。電子源１０１とビームセパレータ１０３との間に、コンデンサーレンズ８０３、アパーチャーアレイ８０４及びレンズアレイ８０５が配置されている。コンデンサーレンズ８０３は電子源１０１からの一次ビームを略平行にする。アパーチャーアレイ８０４は、１次元または２次元に配列されたに開口を有する基板であり、コンデンサーレンズ８０３からの一次ビームを、複数の一次ビームに分割する。アパーチャーアレイ８０４及びレンズアレイ８０５は、一次ビームを分割する分割器である。

【0105】

図８の例において、アパーチャーアレイ８０４は５つの開口を有し、電子源１０１からの一次ビームは５本の一次ビーム１０２Ａ〜１０２Ｅに分割される。なお、本実施例においては一次ビームの本数が５本である例を示したが、ビームの本数はこれ以上であってもこれ以下であっても本発明の効果は失われない。また、本実施例においては、単一の電子源１０１が発生する一次ビーム１０２を分割することによって一次ビーム１０２Ａ〜１０２Ｅを発生する方式について示したが、複数の電子源を用いて一次ビーム１０２Ａ〜１０２Ｅを発生する場合においても本発明は効果を失わない。

【0106】

分割された一次ビーム１０２Ａ〜１０２Ｅは、レンズアレイ８０５によって個別に集束される。レンズアレイ８０５により個別に集束された一次ビーム１０２Ａ〜１０２Ｅは、ビームセパレータ１０３内を通過する。本実施例においては、一次ビーム１０２Ａ〜１０２Ｅが直進するようにビームセパレータ１０３内の電磁場が設定されている。

【0107】

一次ビーム１０１Ａ〜１０１Ｅはビームセパレータ１０３を出射した後、システム制御部１１４が制御する走査用偏向器１０４によって偏向され、試料１０６上を走査する。

【0108】

試料１０６における一次ビーム１０２Ａ〜１０２Ｅの照射位置から発生した二次電子は、二次ビーム１０９Ａ〜１０９Ｅを形成する。

【0109】

ビームセパレータ１０３は、二次ビーム１０９Ａ〜１０９Ｅを偏向させて、それらの軌道を一次ビーム１０２Ａ〜１０２Ｅの軌道から分離させる。ビームセパレータ１０３の構成及び一次ビーム１０２Ａ〜１０２Ｅと二次ビーム１０９Ａ〜１０９Ｅに対する作用は、上記他の実施例で説明した通りである。静電レンズ８０６は、二次ビーム１０９Ａ〜１０９Ｅが互いに混ざり合うことなく検出器８０８に到達し、独立に検出されるように、二次ビーム１０９Ａ〜１０９Ｅをそれぞれ集束させる。

【0110】

振り戻し偏向器８０７は、静電レンズ８０６からの二次ビーム１０９Ａ〜１０９Ｅを偏向する。試料１０６上で二次ビームが発生する位置は走査と同期して変化し、走査用偏向器１０４の偏向作用を受ける。システム制御部１１４は、各一次ビームによって発生する各二次ビームが、その一次ビームの走査に依らず、検出器８０８の一定の位置に到達するように、振り戻し偏向器８０７を走査用偏向器１０４と同期して制御する。

【0111】

以上より、広い視野での観察時間を短縮するマルチビーム型電子ビーム観察装置を実現することができた。

【0112】

なお、本開示のビームセパレータは、ＳＥＭと異なる種類の電子ビーム観察装置に適用することができる。例えば、ビームセパレータは、低エネルギー電子顕微（ＬＥＥＭ）に適用することができる。

【0113】

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例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、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【0114】

また、上記の各構成・機能・処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード等の記録媒体に置くことができる。また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆どすべての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】